JP4669486B2 - プラズマジェット点火プラグおよびその点火システム - Google Patents

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およびその点火システム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（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、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、中心電極と接地電極（外部電極）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（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。重畳式の電源を使用する場合のプラズマジェット点火プラグを一例に説明すると、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が形成される。そして、形成されたプラズマが連通孔（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のである（例えば特許文献１参照）。

ところで、このように形成されるプラズマの幾何学的な形状のひとつとして、例えば火柱状に、キャビティから吹き出す形態のものがある（以下、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。特許文献１においても、噴出するプラズマの噴出長さを長くする試みがなされている。このように、従来ではプラズマの噴出長さを長くすることが混合気への着火性の向上に寄与するという思想の基、プラズマの噴出長さを長くすることを目的に、例えばキャビティの容積やその形状を種々変更するといった検討がなされていた。
特開２００６−２９４２５７号公報

しかしながら、プラズマの噴出長さを長くすることが、必ずしも、着火性の向上とはならない場合があった。また、プラズマの噴出長さを長くするために構成を種々変更したものが検討されたが、必ずしも利点ばかりが見いだされたわけではなく、中には、中心電極や接地電極の耐久性の観点で不利に働くものもあった。これらについて鋭意検討・研究を行ったところ、プラズマジェット点火プラグにおける着火性は、キャビティの容積や形状といったキャビティの構造に対する依存性よりも、接地電極が形成する連通孔の構造に対する依存性の方が大きいことを本発明者らは見いだした。

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、接地電極の連通孔の構造を規定して、キャビティにて形成されるプラズマが混合気への着火に対し最大限に作用するように構成することで着火性を向上することができるプラズマジェット点火プラグおよびその点火システム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、前記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前記先端面とを壁面とし、前記軸孔の先端を開口端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、前記主体金具と電気的に接続された板状の電極で、前記絶縁碍子よりも先端側に配設され、前記キャビティと外気とを連通する連通孔を有する接地電極とを備え、前記接地電極が、前記軸線を中心として先端側へ向けて１２０°の開き角度を有すると共に、前記開口端を通る第１仮想円錐面と接するか、あるいはその第１仮想円錐面の内側へ張り出す部位を有するプラズマジェット点火プラグにおいて、前記接地電極が、更に、前記軸線を中心として先端側へ向けた開き角度を６０°とし、前記開口端を通る第２仮想円錐面の内側へ張り出す部位を有する場合、その第２仮想円錐面の内側へ張り出した部位の体積が１．５ｍｍ^３未満とな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、前記接地電極が、前記軸線を中心として先端側へ向けた開き角度を３０°とし、前記開口端を通る第３仮想円錐面に対し、非接触の状態に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１または２に記載の発明の構成に加え、前記接地電極の前記軸線方向の厚みをＴとし、前記接地電極の前記連通孔の最小内径をＤとしたときに、Ｄ≧Ｔを満たすことを特徴とする。

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の点火システムは、請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマジェット点火プラグを、出力が５０ｍＪ以上２００ｍＪ以下の電源に接続して使用す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は、絶縁碍子の先端側に配設される接地電極が、軸線を中心として先端側へ向けて１２０°の開き角度を有すると共に軸孔の開口端を通る第１仮想円錐面と接するか、あるいはその第１仮想円錐面より内側へ張り出す部位を有する構成であり、接地電極と中心電極との間で形成される火花放電間隙の大きさを制限することができる。これにより、火花放電のための要求電圧が大幅に上昇することを抑制でき、接地電極や中心電極の消耗を低減することができる。

そして、請求項１に係る発明では、接地電極が、６０°の開き角度を有し軸孔の開口端を通る第２仮想円錐面よりも内側へ張り出す部位を有する場合には、その張り出した部位の体積が１．５ｍｍ^３未満となるように規定しているので、キャビティ内で形成されたプラズマが噴出される際に、プラズマの成長過程の比較的早い段階において接地電極と接触する体積を最小限に留めることができる。従って、プラズマが、その成長過程において接地電極により熱を奪われにくくすることができるので、高いエネルギーを有するプラズマによる混合気への着火が可能となる。

また、請求項２に係る発明のように、接地電極が、３０°の開き角度を有し軸孔の開口端を通る第３仮想円錐面と非接触の状態にあることで、プラズマの成長過程の更に早い段階においてプラズマが接地電極と接触することがないため、接地電極による消炎作用をより確実に抑制し、着火性の低下を防止することができる。すなわち、第２仮想円錐面内に張り出す部位の体積が１．５ｍｍ^３未満であれば接地電極により奪われる熱量は少ないものの、混合気の広範囲にわたってのプラズマによる着火が十分に期待できなくなる虞が懸念される。このため、接地電極は第３仮想円錐面とは非接触の状態であることが望ましい。

ところで、キャビティから噴出されるプラズマをその成長過程において噴出方向に対する径方向でみたときに、中心側から（軸線側から）放射状に広がるため、プラズマは、中心部ほど高温であり、外縁部ほど低温となる。低温の外縁部が接地電極と接触し奪われる熱量は、高温の中心部が接地電極と接触し奪われる熱量よりも小さいため、接地電極による消炎作用を鑑みると、プラズマが接地電極と接触する形態であっても、その外縁部において接触し中心部が接地電極と接触しにくい形態であることが望ましい。ここで、キャビティから噴出されたプラズマは、噴出方向に押し出されるように伸びつつも径方向に広がり成長するため、接地電極の連通孔の最小内径Ｄを一定とした場合には、接地電極の厚みＴが厚いほどプラズマと接地電極との接触のしやすさが異なってくる。そこで請求項３に係る発明のように、接地電極の連通孔の最小内径Ｄと厚みＴとの関係においてＤ≧Ｔが満たされるようにすれば、プラズマが接地電極と接触し得る場合でも、その外縁部が接触し、中心部が接触しにくい構成とすることができる。従って、プラズマジェット点火プラグの着火性の低下を抑制しつつ、接地電極が薄くなることによる耐消耗性の低下をも防止することができる。

そして、請求項４に係る発明の点火システムのように、請求項１乃至３に係る発明のプラズマジェット点火プラグによる混合気への点火を行うにあたり、出力が５０ｍＪ以上２００ｍＪ以下の電源を使用することが望ましい。火花放電に伴いキャビティ内で形成されて噴出されるプラズマは、供給されるエネルギー量が大きいほど大きく成長し、混合気への着火性が高くなる。そこで、プラズマを成長させ十分な着火性を得るためには、プラズマ形成のためのエネルギーとして５０ｍＪ以上の電源を用いるとよい。また、十分な着火性を得られる電源を用いる場合であっても、接地電極の消耗を抑制するためには、プラズマ形成のため供給するエネルギーを２００ｍＪ以下とすることが望ましい。従って、５０ｍＪ以上２００ｍＪ以下の電源を用いてプラズマジェット点火プラグによる混合気への点火を行えば、十分な着火性を得られると共に、プラズマジェット点火プラグの耐久性の低下を抑制することができる。なお、この出力はプラズマジェット点火プラグから噴出されるプラズマが１噴射（１ショット）する間に消費するエネルギーを示すものである。また、「電源」とは、プラズマジェット点火プラグへ電力を供給する装置全般の総称である。

以下、本発明を具体化したプラズマジェット点火プラグおよびその点火システムの一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、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、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、上側を後端側として説明する。

図１に示すように、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５９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の最も大きな鍔部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。また、鍔部１９より先端側には後端側胴部１８より外径の小さな先端側胴部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との間は段状に形成されている。

図２に示すように、軸孔１２のうち脚長部１３の内周にあたる部分は、先端側胴部１７、鍔部１９および後端側胴部１８の内周にあたる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。また、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。そして、先端小径部６１の内周は絶縁碍子１０の先端面１６に連続し、軸孔１２の開口部１４を形成している。

中心電極２０は、インコネル（商標名）６００または６０１等のＮｉ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。そして先端部２１には、貴金属やＷ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、本実施の形態では、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。

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の起点となる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。また、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とで包囲された容積の小さな放電空間が形成されている。この放電空間はキャビティ６０と称される。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キャビティ６０内の空間や壁面を通過することとなる。そして火花放電によりこのキャビティ６０内でプラズマが形成され、開口部１４の開口端１１から噴出されるように構成されている。

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、後端側の端子金具４０に電気的に接続されている。このシール体４により、中心電極２０および端子金具４０は、軸孔１２内で固定されると共に導通される。そして端子金具４０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、後述する電力供給装置２００（図３参照）から高電圧が印加されるようになっている。

主体金具５０は、図示外の内燃機関のエンジンヘッドにプラズマジェット点火プラグ１００を固定するための円筒状の金具であり、絶縁碍子１０を取り囲むようにして保持している。主体金具５０は鉄系の材料より形成され、図示外のプラズマジェット点火プラグレンチが嵌合する工具係合部５１と、図示外の内燃機関上部に設けられたエンジンヘッドに螺合するねじ部５２とを備えている。

また、主体金具５０の工具係合部５１より後端側には加締部５３が設けられている。工具係合部５１から加締部５３にかけての主体金具５０と、絶縁碍子１０の後端側胴部１８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の間にタルク（滑石）９の粉末が充填されている。そして、加締部５３を加締めることにより、リング部材６，７およびタルク９を介して絶縁碍子１０が主体金具５０内で先端側に向け押圧される。これにより、図２に示すように、脚長部１３と先端側胴部１７との間の段状の部位が、主体金具５０の内周面に段状に形成された係止部５６に環状のパッキン８０を介して支持されて、主体金具５０と絶縁碍子１０とが一体にされる。このパッキン８０によって、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密は保持され、燃焼ガスの流出が防止される。また、図１に示すように、工具係合部５１とねじ部５２との間には鍔部５４が形成されており、ねじ部５２の後端側近傍、すなわち鍔部５４の座面５５にはガスケット５が嵌挿されている。

主体金具５０の先端部５９には接地電極３０が設けられている。接地電極３０は耐火花消耗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Ｎｉ系合金が用いられる。図２に示すように、接地電極３０は中央に連通孔３１を有する円盤状に形成されており、その厚み方向を軸線Ｏ方向に揃え、絶縁碍子１０の先端面１６に当接した状態で、主体金具５０の先端部５９の内周面に形成された係合部５８に係合されている。そして先端面３２を主体金具５０の先端面５７に揃えた状態で、外周縁が一周にわたって係合部５８とレーザ溶接され、接地電極３０は主体金具５０と一体に接合されている。後述するが、接地電極３０の連通孔３１は、その最小内径Ｄが、少なくとも絶縁碍子１０の開口部１４（開口端１１）の内径Ｒ以上の大きさを有するように形成されており、この連通孔３１を介し、キャビティ６０の内部と外気とが連通されるように構成されている。

このような構造を有する本実施の形態のプラズマジェット点火プラグ１００は、図３に一例を示すように、５０ｍＪ以上２００ｍＪ以下の任意の出力（例えば１４０ｍＪ）の電源としての電力供給装置２００（図３参照）に接続されて使用されることにより点火システム２５０を構成する。そして、後述する評価試験の結果に基づいて接地電極３０の連通孔３１の大きさ条件が規定されており、上記出力の電源からエネルギーを供給して、キャビティ６０内で形成されるプラズマが火柱のような形状、いわゆるフレーム状となって噴出される。以下、図３を参照し、点火システム２５０の構成について説明する。図３は、点火システム２５０の電気的な回路構成を概略的に示す図である。

図３に示す、点火システム２５０は、電力供給装置２００からプラズマジェット点火プラグ１００に電力を供給し、そのプラズマジェット点火プラグ１００からプラズマを噴出させて混合気への点火を行うためのシステムである。電力供給装置２００には、火花放電回路部２１０、プラズマ放電回路部２３０、制御回路部２２０，２４０、および逆流防止用の２つのダイオード２０１，２０２が設けられている。

火花放電回路部２１０は、自動車のＥＣＵ（電子制御回路）に接続された制御回路部２２０によって制御され、火花放電間隙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部である。この火花放電回路部２１０は、例えばＣＤＩ型の電源回路から構成され、ダイオード２０１を介し、電力供給先となるプラズマジェット点火プラグ１００の中心電極２０に電気的に接続されている。火花放電回路部２１０における電位の向きやダイオード２０１の向きは、トリガー放電の際に、接地電極３０側から中心電極２０側に電流が流れる向きに設定されている。

また、プラズマ放電回路部２３０は、上記同様、自動車のＥＣＵ（電子制御回路）に接続された制御回路部２４０によって制御され、火花放電回路部２１０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火花放電間隙に高エネルギーを供給してプラズマを形成させるための電源回路部である。このプラズマ放電回路部２３０も同様に、逆流防止用のダイオード２０２を介し、プラズマジェット点火プラグ１００の中心電極２０に接続されている。

プラズマ放電回路部２３０には、エネルギーとしての電荷を蓄えておくコンデンサ２３１と、このコンデンサ２３１を充電するための高電圧発生回路２３３が設けられている。このコンデンサ２３１は、一端が接地され、他端が高電圧発生回路２３３と、上記ダイオード２０２を介して中心電極２０に接続されることにより、充放電可能に設けられている。また、このコンデンサ２３１はプラズマ形成時のエネルギー、すなわち火花放電間隙へのトリガー放電によるエネルギー供給量とコンデンサ２３１からのエネルギー供給量の和が１回のプラズマ噴出を行うために供給される量として１４０ｍＪとなるようにその静電容量を決定している。そして、コンデンサ２３１から火花放電間隙にプラズマ発生用のエネルギーが供給される際に、上記同様、接地電極３０側から中心電極２０側に電流が流れるように、高電圧発生回路２３３の電位の向きやダイオード２０１の向きが設定されている。なお、プラズマジェット点火プラグ１００の接地電極３０は、主体金具（図１参照）を介し、接地されている。

このように構成された本実施の形態の点火システム２５０では、ＥＣＵからの点火指示（点火時期を示す制御信号の受信）に基づき、電力供給装置２００からプラズマジェット点火プラグ１００へ電力の供給を行い、フレーム状のプラズマを噴出させることで、混合気への点火を行うことができる。以下に、混合気への点火を行う際の点火システム２５０の動作について説明する。

内燃機関の稼働に伴い本実施の形態のプラズマジェット点火プラグ１００による混合気への点火が行われる際には、図３に示す、ＥＣＵから電力供給装置２００の制御回路部２２０に点火時期を示す情報が送信される。その点火時期より前の時期には、プラズマ放電回路部２３０において、ダイオード２０２により逆流が防止されているためコンデンサ２３１と高電圧発生回路２３３とで閉回路が形成され、コンデンサ２３１が充電される。

そして、点火時期の情報に基づいて制御回路部２２０により火花放電回路部２１０が制御されると、接地電極３０および中心電極２０からなる火花放電間隙に高電圧が印加される。これにより、接地電極３０と中心電極２０との間の絶縁が破壊され、トリガー放電が生ずる。

トリガー放電によって火花放電間隙の絶縁が破壊されると、比較的低電圧で火花放電間隙に電流を流すことができるようになる。するとコンデンサ２３１に蓄えられたエネルギーが放出され、火花放電間隙に供給される。これにより、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内で膨張しつつキャビティ６０の形状に誘導されて、開口端１１から燃焼室内に向けて軸線Ｏ方向に伸びる火柱状（フレーム状）となって噴出される。そして燃焼室内の混合気に着火し、着火により形成された火炎核が成長して燃焼室内に広がって、混合気の燃焼が行われる。

一方、コンデンサ２３１に蓄えられたエネルギーが放出された後は、火花放電間隙へのエネルギーの供給が終了するため火花放電間隙が絶縁され、再度、コンデンサ２３１と高電圧発生回路２３３とで閉回路が形成されて、コンデンサ２３１が充電される。そして制御回路部２２０が次の点火時期の情報を受信すると、火花放電間隙に再びトリガー放電を生じさせ、フレーム状のプラズマが噴出される。

ところで、本実施の形態において、電源の一例としての電力供給装置２００は、１４０ｍＪの出力を行うもの（すなわち火花放電間隙へのトリガー放電によるエネルギー供給量とコンデンサ２３１からのエネルギー供給量の和が１４０ｍＪとなるように調整したもの）を例に挙げた。後述する実施例１および実施例２の結果に基づくと、この電源は、５０ｍＪ以上２００ｍＪ以下の出力を行うものであればよい。キャビティ６０で形成されて噴出されるプラズマは、供給されるエネルギー量が大きいほど大きく成長し、混合気への着火性が高い。実施例１の結果によると、プラズマジェット点火プラグ１００として十分な着火性を得るためには、プラズマ形成のためのエネルギーとして５０ｍＪ以上の電源を用いるとよい。また、実施例２の結果によると、十分な着火性を得た上で、接地電極３０の消耗を抑え、プラズマジェット点火プラグ１００の耐久性を高めるためには、プラズマ形成のためのエネルギーとして２００ｍＪ以下の電源を用いるとよい。そして、このような電力の供給を行うことができる電源として、電力供給装置２００は、本実施の形態のようにＣＤＩ式のものとしてもよいし、フルトランジスター式、ポイント（接点）式など、その他のいかなる点火方式のものとしてもよい。

このように電力供給装置２００から電力が供給されることによりキャビティ６０内でプラズマが形成され、そのプラズマを噴出することで混合気への点火を行うプラズマジェット点火プラグ１００では、形成されたプラズマの成長過程において、接地電極３０と接触することにより受ける消炎作用を低減するため、後述する評価試験の結果に基づいて、接地電極３０の連通孔３１の大きさ条件を以下のように規定している。

まず、図４に示すように、軸線Ｏを中心に軸線Ｏ方向先端側へ向けた開き角度が１２０°であり、キャビティ６０の開口端（すなわち軸孔１２の先端側の開口端）１１を通る第１仮想円錐面を想定する。図４においては第１仮想円錐面の断面を２点鎖線Ａで示すが、第１仮想円錐面とは、軸線Ｏに対し６０°傾いた線分を軸線Ｏを中心に回転させた場合に、その線分によって描かれる円錐面に相当するものである。本実施の形態では、この第１仮想円錐面に対し、接地電極３０が接しているか、あるいはその第１仮想円錐面の内側へ張り出す部位を有することと規定している。すなわち、図４のように、接地電極３０の断面が２点鎖線Ａと交差する状態にあるか、あるいは図５に示すように、接地電極３１０の断面が２点鎖線Ａと接する状態にあればよい。

キャビティ６０内でプラズマを形成するには、接地電極３０と中心電極２０との間で火花放電が行われる必要がある。上記のように第１仮想円錐面に対し、接地電極３０が接しているか、あるいはその第１仮想円錐面の内側へ張り出す部位を有することと規定することで、接地電極３０と中心電極２０との間の大きさが制限される。このことは後述する実施例３の結果に基づくが、これにより火花放電のための要求電圧が大幅に上昇することを抑制でき、接地電極３０や中心電極２０（より具体的には中心電極２０と一体となった電極チップ２５）の消耗を低減することができる。

次に、図４に示すように、軸線Ｏを中心に軸線Ｏ方向先端側へ向けた開き角度が６０°であり、開口端１１を通る第２仮想円錐面を想定する。上記同様、図４において第２仮想円錐面の断面を２点鎖線Ｂで示す。本実施の形態では、接地電極３０がこの第２仮想円錐面よりも内側（軸線Ｏ側）へ張り出す部位を有する場合、その体積が１．５ｍｍ^３未満となることと規定している。すなわち、図４のように、接地電極３０の断面において２点鎖線Ｂよりも軸線Ｏ側へ張り出した部位（張出部３５）を、軸線Ｏ周りに一周させた分に相当する領域の体積が１．５ｍｍ^３未満となればよい。

キャビティ６０内で形成されたプラズマが噴出される際には、その成長過程において、プラズマが噴出方向に押し出されるように伸びつつ、噴出方向と直交する径方向にも広がるため、接地電極３０の連通孔３１の最小内径Ｄの大きさによっては、プラズマと接地電極３０との接触量（体積）が異なってくる。上記のように、接地電極３０の第２仮想円錐面よりも内側へ張り出す部位の大きさを１．５ｍｍ^３未満と規定すれば、プラズマの成長過程の比較的早い段階において、プラズマが接地電極３０と接触する体積を低減することができる。このことは後述する実施例４の結果に基づくが、プラズマが接地電極３０と接触する体積が少なくできれば、接地電極３０により熱を奪われにくくすることができるため、上記のように規定することで着火性の低下を十分に防止することができる。

次に、図４に示すように、軸線Ｏを中心に軸線Ｏ方向先端側へ向けた開き角度が３０°であり、開口端１１を通る第３仮想円錐面を想定する。上記同様、図４において第３仮想円錐面の断面を２点鎖線Ｃで示す。本実施の形態では、接地電極３０がこの第３仮想円錐面と非接触の状態にあることを規定している。すなわち、図４のように、接地電極３０の断面が、２点鎖線Ｃよりも外側（軸線Ｏ側とは反対側）にあればよい。後述する実施例５の結果に基づきこのように規定すれば、上記同様、プラズマの成長過程の更に早い段階において、プラズマが接地電極３０と接触することがないため、接地電極３０との接触し熱を奪われてしまうことによる着火性の低下をより確実に防止することができる。

また、キャビティ６０から噴出されるプラズマをその成長過程において噴出方向に対する径方向でみたときに、中心側から（軸線Ｏに近い側から）放射状に広がるため、プラズマは、中心部ほど高温であり、外縁部ほど低温となる。低温の外縁部が接地電極３０と接触し奪われる熱量は、高温の中心部が接地電極３０と接触し奪われる熱量よりも小さいため、接地電極３０による消炎作用を鑑みると、プラズマが接地電極３０と接触する形態であっても、その外縁部において接触し中心部が接地電極３０と接触しにくい形態であることが望ましい。ここで上記したように、キャビティ６０から噴出されたプラズマは、噴出方向に押し出されるように伸びつつも径方向に広がり成長するため、接地電極３０の連通孔３１の最小内径Ｄを一定とした場合には、接地電極３０の厚みＴが厚いほどプラズマと接地電極３０との接触のしやすさが異なってくる。そこで本実施の形態では、後述する実施例６の結果に基づき、接地電極３０の連通孔３１の最小内径Ｄと厚みＴとの関係に着目し、Ｄ≧Ｔが満たされるようにしている。これにより、プラズマが接地電極と接触し得る場合でも、その外縁部が接触し、中心部が接触しにくい構成とすることができ、プラズマジェット点火プラグ１００の着火性の低下を抑制しつつ、接地電極３０が薄くなることによる耐消耗性の低下を防止している。

このように電力供給装置２００から供給された電力により形成したプラズマを噴出し、混合気への点火を行うプラズマジェット点火プラグ１００について、上記のように接地電極３０の連通孔３１の大きさ条件を規定したことにより、キャビティ６０内で形成されるプラズマが噴出される際の消炎作用を抑制し、混合気への着火性の低下を防ぐことができることについて確認するため評価試験を行った。

［実施例１］
まず、プラズマジェット点火プラグ１００に供給するエネルギー量として混合気への着火性を十分に得られるエネルギー量を確認するための評価試験を行った。この評価試験を行うにあたり、連通孔の最小内径Ｄを１．０ｍｍ、厚みＴを１．０ｍｍとした接地電極と、内径（開口端の内径）Ｒを０．５ｍｍ、深さＬを２．０ｍｍとするキャビティが形成された絶縁碍子とを用いて作製したプラズマジェット点火プラグのサンプルを用意した。なお、使用した電源はＣＤＩ式の電源を使用している（図示しない）。

このサンプルを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、サンプルを取り付けた後、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）。サンプルに高電圧を印加し、点火を試みる（電圧印加工程）。高電圧の印加により混合気が着火したかどうかの確認を行う（着火確認工程）。なお、着火したかどうかの検出は、チャンバー内の圧力変化を圧力センサでチャンバー内気圧を測定することにより行った。この一連の工程を供給可能なエネルギー毎に１００回試行し、着火確率として算出する。この試験の結果を図６のグラフに示す。なお、サンプルへ供給するエネルギーは電源コイルを種々変更することにより変化させている。

図６のグラフに示すように、サンプルのプラズマジェット点火プラグへ供給するエネルギー量が３０ｍＪでは着火せず、４０ｍＪでは約６５％の着火確率となり、５０ｍＪ以上では着火確率が１００％であった。このことから、プラズマジェット点火プラグに供給するエネルギー量を５０ｍＪ以上とすれば、混合気への十分な着火性を得られることがわかった。

［実施例２］
もっとも、プラズマジェット点火プラグ１００に供給するエネルギー量が大きくなるほど接地電極３０への負荷も大きくなるため、上記のサンプルを複数用意し、プラズマジェット点火プラグ１００に供給可能なエネルギー量としての上限を確認するための評価試験を行った。

この評価試験では、窒素を０．４ＭＰａの圧力で充填した加圧チャンバー内にサンプルをいれた。用意した各サンプル毎に異なるエネルギー量で、６０Ｈｚの放電周波数にて２００時間の連続放電を行い、試験前と比較した試験後の接地電極の消耗量（ｍｍ^３）を測定した。なお、接地電極にはその材料にＩｒ−５Ｐｔ合金を用いた。この試験の結果を図７のグラフに示す。

図７のグラフに示すように、サンプルに供給するエネルギー量が１００ｍＪでは、接地電極の消耗量は約０．０６ｍｍ^３となり、１５０ｍＪでは約０．０８ｍｍ^３となった。そして２００ｍＪでは０．１０ｍｍ^３に若干満たない程度の消耗量であったが、２５０ｍＪでは約０．１９ｍｍ^３となり、２００ｍＪを超えると大幅に接地電極の消耗量が大きくなることが確認できた。従って、プラズマジェット点火プラグに供給するエネルギー量を２００ｍＪ以下とすれば、接地電極の大幅な消耗量を抑え、耐久性の低下を抑制できることがわかった。

［実施例３］
次に、接地電極３０の連通孔３１の大きさ条件について、火花放電電圧との関係から評価するための評価試験を行った。この評価試験を行うにあたり、内径（開口端の内径）Ｒを０．５ｍｍ、深さＬを２．０ｍｍとするキャビティが形成された絶縁碍子の先端側に、厚みＴが０．５ｍｍで、組立後に、軸線Ｏを中心に先端側へ向けた開き角度がそれぞれ１１０°、１１５°、１２０°および１２５°となり開口端を通る仮想円錐面にそれぞれ接する大きさの連通孔３１が形成された４種類の接地電極をそれぞれ配置して組み立てたプラズマジェット点火プラグのサンプルを４種作製した。

これらのサンプルを、窒素を０．４ＭＰａの圧力で充填した加圧チャンバー内にいれた。そして、各サンプルを、１４０ｍＪのエネルギー量を供給可能な電源に接続し２００時間の連続放電を行った後に、各サンプルが放電可能な放電電圧をそれぞれ測定した。この試験の結果を図８のグラフに示す。

図８のグラフに示すように、接地電極と接する仮想円錐面の開き角度を１１０°、１１５°、１２０°としたサンプルは、２００時間の連続放電により消耗を生じた接地電極であっても１５ｋＶ未満の放電電圧であった。しかし、仮想円錐面の開き角度を１２５°としたサンプルでは約２５ｋＶ近くの放電電圧となり、仮想円錐面の開き角度が１２０°以下のものと比べ大幅に高い放電電圧が要求された。このことから、接地電極３０の連通孔３１の大きさ条件として仮想円錐面の開き角度が１２０°以下となるように規定すれば、火花放電に要求される放電電圧を仮想円錐面の開き角度が１２５°以上の場合と比べ低く抑えることができることがわかった。

［実施例４］
次に、接地電極３０の連通孔３１の大きさ条件について、着火確率との関係から評価するための評価試験を行った。この評価試験では、組立後に、軸線Ｏを中心に先端側へ向けた開き角度が６０°となり開口端を通る第２仮想円錐面よりも内側へ張り出す部位を有し、その張り出した部位の体積が０．９〜１．９ｍｍ^３の範囲内に収まる５種類の接地電極を用意し、それぞれを用いたプラズマジェット点火プラグのサンプルを５種作製した。このサンプルをチャンバーに取り付け、上記したガス充填工程、電圧印加工程および着火確認工程を供給可能なエネルギー毎に１００回試行し、着火確率として算出した。なお、ガス充填工程では、実施例１と同様に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とした。これを各サンプルごとに行った試験の結果を図９のグラフに示す。

図９のグラフに示すように、開き角度を６０°とする第２仮想円錐面よりも内側へ張り出す部位の体積が１．５ｍｍ^３未満であった３つのサンプルは、いずれも着火確率が１００％ないし１００％近傍であった。そして、この第２仮想円錐面よりも内側へ張り出す部位の体積が１．５ｍｍ^３以上となると、その体積が大きくなるのに従って着火確率が低下することがわかった。

［実施例５］
ところで、上記実施例４の結果より、開き角度を６０°とする第２仮想円錐面よりも内側へ張り出す部位の体積が１．５ｍｍ^３未満であれば着火性が良好となることを確認できたが、着火性の向上に対するより高い要求を満たすため、更に厳しい条件化において着火性の良否を判定する評価試験を行った。この評価試験では、絶縁碍子の開口端の内径Ｒ，接地電極の連通孔の最小内径Ｄ，接地電極の厚みＴをそれぞれ「０．５，１．０，０．５」、「０．５，１．０，１．０」、「１．０，１．５，０．５」、「１．０，１．５，１．０」、「１．５，２．０，０．５」、「１．５，２．０，１．０」（ｍｍ）としたプラズマジェット点火プラグの６つのサンプル５−１，５−２，５−３，５−４，５−５，５−６を用意した。各サンプル５−１〜５−６の接地電極が第２仮想円錐面よりも内側へ張り出す部位の体積は、それぞれ順に「０．００４」、「０．３５５」、「０．００６」、「０．５０１」、「０．００８」、「０．６４７」（ｍｍ^３）となり、いずれも実施例４の条件（１．５ｍｍ^３未満）を満たす。

そしてサンプルを、実施例２と同様に空気とＣ_３Ｈ_８ガスとの混合比（空燃比）を２３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、上記したガス充填工程、電圧印加工程および着火確認工程を供給可能なエネルギー毎に１００回試行し、着火確率として算出した。これを各サンプル（サンプル５−１〜５−６）ごとに行った試験の結果を表１に示す。

表１に示すように、各サンプル５−１〜５−６の着火確率は順に、「１００」、「７６」、「１００」、「６１」、「１００」、「４８」（％）となった。ここで、各サンプル５−１〜５−６についてそれぞれ、開き角度を３０°とする第３仮想円錐面よりも内側へ張り出す部位の体積を求めたところ、着火確率が１００％であったサンプル５−１，５−３，５−５は、その第３仮想円錐面とは非接触状態であったことがわかった。一方、着火確率が１００％に満たなかったサンプル５−２，５−４，５−６は、いずれもその第３仮想円錐面と接触あるいはその内側へ張り出す部位を有する状態にあった。

ここで、空燃比の差について説明する。実施例４においては空燃比を２２とした空気とＣ_３Ｈ_８ガスとの混合気を評価試験に用い、実施例５においては空燃比を２３とした混合気を用いた。このことは、実施例５において着火性の評価を行う上で実施例４のものと比べ非常に厳しい条件を設けるため行っている。一般に、空燃比が理論空燃比よりも高いリーン領域において、空燃比が１高くなると混合気に対する着火性は大きく低下する。例えば空気とガソリンとの混合気が理論空燃比より高い、ある空燃比を示す場合に、中心電極の直径が２．５ｍｍで火花放電間隙の大きさが０．８ｍｍである一般的なスパークプラグを用いれば着火可能である。このときの空燃比から更に１高い空燃比の混合気に対し、上記スパークプラグが同等の着火性を維持するためには、中心電極の直径を０．８ｍｍとし、火花放電間隙の大きさを１．２ｍｍとする大幅な設計変更を必要とすることが知られている。

このように、空燃比においてより厳しい条件でも着火が可能であるサンプル５−１，５−３，５−５は、サンプル５−２，５−４，５−６に対し着火性に優れるといえる。従って、接地電極３０が開き角度３０°の第２仮想円錐面よりも内側に張り出す部位を有し、その体積が１．５ｍｍ^３未満となる条件を満たすものであっても、開き角度を３０°とする第３仮想円錐面に対し非接触となるものであれば、着火性の低下をより確実に防止できることがわかった。

［実施例６］
次に、接地電極３０の連通孔３１の大きさ条件について、連通孔３１の最小内径Ｄと接地電極３０の厚みＴとの関係から評価するための評価試験を行った。この評価試験では、連通孔の最小内径Ｄを１．０ｍｍとし、厚みＴをそれぞれ「０．５」，「１．０」，「１．５」（ｍｍ）とする３種類の接地電極を用意し、それぞれと、開口端の内径Ｒを０．５ｍｍとした絶縁碍子と共に組み立てたプラズマジェット点火プラグの３種類のサンプルを作製した。

そしてサンプルを、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、上記したガス充填工程、電圧印加工程および着火確認工程を供給可能なエネルギー毎に１００回試行し、着火確率として算出した。これを３種のサンプルそれぞれに対し行った試験の結果を図１０のグラフに示す。

図１０のグラフに示すように、接地電極の厚みＴを０．５ｍｍとしたサンプルでは着火確率が１００％であり、その厚みＴを厚くして１．０ｍｍとしても、１００％に近い着火確率を維持することができた。しかし、厚みＴを更に厚くして１．５ｍｍとすると、着火確率は大幅に低下した。この評価試験の結果を元に、厚みＴと連通孔の最小内径Ｄとの関係に着目してみたところ、Ｄ≧Ｔが満たされれば、着火確率の低下を抑制することができることがわかった。ここで、プラズマの成長過程においてプラズマが接地電極と接触し得る構成であっても、高温の中心部ではなく低温の外縁部が接地電極と接触すれば、接地電極に奪われる熱量が少なく、着火性の低下は抑制される。Ｄ＞Ｔとなる領域において、接地電極の厚みＴを厚くしていき、連通孔の最小内径Ｄに近づく過程で着火確率が徐々に低下していくのはプラズマの外縁部が接地電極と接触して熱を奪われるためといえる。そして、Ｄ＝Ｔをおおよその境目とし、Ｄ＜Ｔとなる領域において着火性が大幅に低下するのは、プラズマの中心部が接地電極と接触し、大幅に熱を奪われるためといえる。

例えば、プラズマジェット点火プラグ１００の小型化を図る上で、キャビティ６０の開口端１１の内径Ｒを小さくし、それにあわせて接地電極３０の連通孔３１の最小内径Ｄを小さくした場合、キャビティ６０から噴出されるプラズマの中心部に接地電極３０が近づく構成となるため、プラズマが熱を奪われやすくなり易い。上記のように接地電極３０の厚みＴと連通孔の最小内径Ｄとの関係を規定してプラズマジェット点火プラグ１００の小型化を図れば、着火性の低下を十分に抑制することができるのである。

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。例えば、図１１に示すプラズマジェット点火プラグ３２０のように、接地電極３３０の連通孔３３１を、軸線Ｏ方向先端側へ向けて拡径するテーパ状に形成してもよい。このとき、本実施の形態と同様に、接地電極３３０が、第１仮想円錐面（その断面を２点鎖線Ａで示す。）と接触あるいはその内側へ張り出す部位を有する状態にあり、第３仮想円錐面（その断面を２点鎖線Ｃで示す。）とは接触せず、第２仮想円錐面（その断面を２点鎖線Ｂで示す。）よりも内側へ張り出す部位（例えば張出部３３５）を有する場合には、その体積が１．５ｍｍ^３未満となればよい。

また、図１２に示すプラズマジェット点火プラグ３４０のように、第２仮想円錐面よりも内側へ張り出す部位（張出部３５５，３５６）の体積が１．５ｍｍ^３未満となるように、接地電極３５０の連通孔３５１，３５２を段状に形成してもよい。もちろん、この連通孔を３段以上に形成してもよい。更に、図１３に示すプラズマジェット点火プラグ３６０のように、接地電極３７０の連通孔３７１，３７２の一方（連通孔３７２）をテーパ状に形成しつつ、第２仮想円錐面よりも内側へ張り出す部位（張出部３７５）の体積が１．５ｍｍ^３未満となるようにしてもよい。もちろん、上記図１１〜図１３に示したプラズマジェット点火プラグ３２０，３４０，３６０は、第２仮想円錐面よりも張り出す部位（張出部３３５，３５５，３５６，３７５）を有していなくともよい。

また、図１４に示すプラズマジェット点火プラグ３８０のように、接地電極３９０の連通孔３９１の内壁を、貴金属やＷを主成分とする合金からなる電極チップ３９９で形成してもよい。この場合も上記同様に、第２仮想円錐面よりも内側へ張り出す部位（張出部３９５）を有してもよいし、その場合には張出部３９５の体積が１．５ｍｍ^３未満となるようにすればよい。

また、火花放電回路部２１０の制御はＥＣＵが直接行ってもよい。また、本発明では接地電極３０側から中心電極２０側に電流が流れる形態であるが、極性を入れ替え、中心電極２０側から接地電極３０側へ電流が流れるような電源や回路構成としてもよい。具体的には、高電圧発生回路２３３から発生される高電圧を正極性のものとし、ダイオード２０１，２０２の向きを逆方向とするとよい。なお、中心電極２０に接合された電極チップ２５は、その構成上、接地電極３０に比較して小さいため、中心電極２０側の電極の消耗を考慮すると、中心電極２０側から接地電極３０側へ電流が流れるような構成とすることが好ましい。

また、キャビティ６０を構成する軸孔１２の先端小径部６１は、必ずしも電極収容部１５より小径に形成される必要はなく、電極収容部１５と同径に形成されてもよいし、あるいは電極収容部１５よりも大きな内径に形成されてもよい。また、本実施の形態では、接地電極３０は、絶縁碍子１０の先端面１６に当接した状態で主体金具５０に接合された構成としが、必ずしも接地電極３０と絶縁碍子１０とが当接した状態でなくともよく、本発明に係る各規定が満たされることで、キャビティ６０から噴出されるプラズマに対する接地電極３０の消炎作用を十分に抑制できれば足りる。

プラズマジェット点火プラグ１００の部分断面図である。 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。 点火システム２５０の電気的な回路構成を概略的に示す図である。 接地電極３０の連通孔３１の大きさ条件の規定について説明するため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。 接地電極３１０の連通孔３１１の大きさ条件の規定について説明するためのプラズマジェット点火プラグ３００の先端部分を拡大した断面図である。 プラズマジェット点火プラグに供給するエネルギー量と着火確率との関係を示すグラフである。 プラズマジェット点火プラグに供給するエネルギー量と接地電極の消耗量との関係を示すグラフである。 接地電極と接する仮想円錐面の開き角度と放電電圧との関係を示すグラフである。 開き角度を６０°とする第２仮想円錐面よりも内側へ張り出す部位の体積と、着火確率との関係を示すグラフである。 接地電極の厚みＴ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３２０の先端部分を拡大した断面図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ３４０の先端部分を拡大した断面図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ３６０の先端部分を拡大した断面図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ３８０の先端部分を拡大した断面図である。

符号の説明

１０ 絶縁碍子
１１ 開口端
１２ 軸孔
２０ 中心電極
２６ 先端面
３０ 接地電極
３１ 連通孔
５０ 主体金具
６０ キャビティ
６１ 先端小径部
１００ プラズマジェット点火プラグ
２００ 電力供給装置
２５０ 点火システム

Claims (4)

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、
   前記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前記先端面とを壁面とし、前記軸孔の先端を開口端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、
   前記主体金具と電気的に接続された板状の電極で、前記絶縁碍子よりも先端側に配設され、前記キャビティと外気とを連通する連通孔を有する接地電極と
   を備え、
   前記接地電極が、前記軸線を中心として先端側へ向けて１２０°の開き角度を有すると共に、前記開口端を通る第１仮想円錐面と接するか、あるいはその第１仮想円錐面の内側へ張り出す部位を有するプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記接地電極が、更に、前記軸線を中心として先端側へ向けた開き角度を６０°とし、前記開口端を通る第２仮想円錐面の内側へ張り出す部位を有する場合、その第２仮想円錐面の内側へ張り出した部位の体積が１．５ｍｍ^３未満となることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
2. 前記接地電極が、前記軸線を中心として先端側へ向けた開き角度を３０°とし、前記開口端を通る第３仮想円錐面に対し、非接触の状態に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. 前記接地電極の前記軸線方向の厚みをＴとし、前記接地電極の前記連通孔の最小内径をＤとしたときに、Ｄ≧Ｔを満たすことを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマジェット点火プラグ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマジェット点火プラグを、出力が５０ｍＪ以上２００ｍＪ以下の電源に接続して使用することを特徴とするプラズマジェット点火プラグの点火システム。

Images