JP4948515B2 - プラズマジェット点火プラグ - 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に関するものである。

従来、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。近年では、内燃機関の一層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とりかこみ、小さな容積の放電空間（キャビティ）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、まず、中心電極と接地電極との間に高電圧を印加し、火花放電を行う。このときに生じた絶縁破壊によって、中心電極と接地電極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、中心電極と接地電極との間に電力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と、混合気への着火が行われる。

そこで、従来において、例えば、下記の特許文献１に記載のプラズマジェット点火プラグでは、絶縁碍子の内壁を段付き形状にして、キャビティ内に絞りを設けることにより、５０〜２００ｍＪ程度のエネルギで十分な着火性を得るようにしている。また、下記の特許文献２に記載のプラズマジェット点火プラグでは、キャビティ内の容積を１０ｍｍ³以下とし、キャビティ内の長さと径との比(長さ／径）を２以上とし、中心電極と接地電極との距離を３ｍｍ以下として、プラズマ噴出長さを長くすることで着火性の向上を図っている。

特開２００７−２８７６６６号公報 特開２００６−２９４２５７号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載のプラズマジェット点火プラグでは、絶縁碍子の内壁が段付きであるため、チャンネリング（放電等に起因してできる溝）の進展が早まり、継続して使用すると、着火性が著しく低下するという問題がある。

また、上記の特許文献２に記載のプラズマジェット点火プラグでは、中心電極と接地電極との距離が３ｍｍ以下であることを考えると、中心電極の径φは１．５ｍｍ以下となり、中心電極の形状は細く長くなるため、中心電極の先端の熱引き（熱の低下し易さ）が悪く、耐久性が低いという問題がある。具体的には、中心電極の先端の熱引きが悪いと、先端が削れ、消耗しやすくなると共に、高温のまま火花放電が起きると、先端が酸化しやすくなる。

従って、本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、チャンネリングの進展を抑え、熱引きの優れたプラズマジェット点火プラグを提供することにある。

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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
軸線方向に沿った軸孔を有する筒状の絶縁部材と、該絶縁部材の前記軸孔内に収容される棒状の中心電極と、前記絶縁部材の先端に配置される板状の接地電極と、を備えるプラズマジェット点火プラグにおいて、前記中心電極は、胴体部と、該胴体部の外径よりも小さい外径を有し、前記胴体部よりも先端側に位置する先端部と、前記先端部の外径よりも小さい外径を有し、前記先端部よりも先端側に位置する最先端部と、を有し、前記絶縁部材において、前記軸孔を形成する部分は、前記中心電極の前記胴体部の外径よりも小さい内径を有し、前記中心電極の少なくとも前記先端部を収容する収容部と、前記中心電極の前記先端部の外径よりも小さく前記収容部の内径よりも小さい内径を有し、前記収容部よりも先端側に位置し、前記中心電極の少なくとも前記最先端部が配置される小径部と、を有し、前記中心電極の先端は、前記絶縁部材の前記小径部内において、前記絶縁部材の先端よりも後側に位置して、前記小径部の内周と共に、キャビティ部を形成しており、前記接地電極は、前記キャビティ部が外気と連通するように開口部を有し、前記小径部の前記軸線方向の形状は、直線状であることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。

このように、適用例１のプラズマジェット点火プラグでは、絶縁部材における小径部の軸線方向の形状は直線状となっている。これにより、キャビティ部内における放電経路が直線となるため、放電経路が曲線もしくはＬ字型である場合に比較して、絶縁部材内部への電界強度を弱くすることができ、チャンネリングの進展を抑制することができる。

また、中心電極の外径が、最先端部，先端部，胴体部の順に大きくなっているため、中心電極の先端で受けた熱を、最先端部から胴体部に向かって効率よく伝達することができ、中心電極の熱引きを向上させることができる。その結果、中心電極の耐久性を確保することが可能となる。

［適用例２］
前記絶縁部材において、前記軸孔を形成する部分は、前記収容部と前記小径部との間に位置する第１の段差部をさらに有し、
前記接地電極において、前記開口部の内周の径が前記中心電極の前記先端部の外径よりも小さく前記小径部の内径よりも大きい場合には、前記接地電極の前記開口部の内周から前記軸線方向に沿って第１の直線を引いた場合に、前記第１の直線と前記絶縁部材の先端とが交わる第１の交点と、前記第１の直線と前記絶縁部材の前記第１の段差部とが交わる第２の交点と、の間の距離をａとし、
前記接地電極において、前記開口部の内周の径が前記中心電極の前記先端部の外径よりも小さく前記小径部の内径よりも小さい場合には、前記小径部の内周の前記軸線方向の長さをａとし、
前記中心電極の前記先端部の外周から前記軸線方向に沿って第２の直線を引いた場合に、前記第２の直線と前記絶縁部材の前記第１の段差部とが交わる第３の交点と、前記第２の直線と前記絶縁部材の先端とが交わる第４の交点と、の間の距離をｂとし、
前記接地電極と前記中心電極の前記先端部とを、前記軸線方向に投影した場合に、前記接地電極と前記中心電極の前記先端部との重なった面積をｃとしたとき、０．２≦（２ｃ）／（ａ＋ｂ）≦４の関係であることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。

このように、適用例２のプラズマジェット点火プラグでは、上記の如く定義した距離ａ，ｂ及び面積ｃが、０．２≦（２ｃ）／（ａ＋ｂ）≦４の関係を満足するように、キャビティ部の周囲を囲む部分の形状を設定するようにしている。このような形状に設定することにより、絶縁部材のうち、中心電極と接地電極との間に挟まれた部分（言い換えれば、キャビティ部の周囲を囲む部分）の静電容量が適度な値とすることができるため、いわゆるプラズマ抜けを防止することができる。

［適用例３］
適用例１または適用例２に記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、前記接地電極における前記開口部の内径は、前記絶縁部材における前記小径部先端の内径に対し、７５〜１２０％の範囲にあることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。

このように、適用例３のプラズマジェット点火プラグでは、接地電極における開口部の内径が、絶縁部材における小径部先端の内径に対し、７５〜１２０％の範囲となるように設定している。このような範囲に設定することにより、チャンネリングが発生しても、キャビティ部において、小径部の内周上にほぼ均一にチャンネリングが発生することになるため、チャンネリング進展を均一化させ、プラズマジェット点火プラグの耐久性を向上させることができ、着火性を良好のまま保つことができる。

［適用例４］
適用例１ないし適用例３のうちの任意の１つに記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、前記中心電極は、負極として用いられることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。

このように、適用例４のプラズマジェット点火プラグでは、中心電極を負極として用いるようにしている。このように用いることによって、チャンネリングにより絶縁部材における小径部の先端部分が削れにくくなる。また、小径部の内周のうち、中心電極の先端近傍が削れやすくなり、そのように削れた場合には、放電経路が外側から内側に向かう形になり、チャンネリングの進展に対する着火性の低下が抑制される。

［適用例５］
適用例１ないし適用例４のうちの任意の１つに記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、前記軸線方向において、前記最先端部と前記小径部との重なり量は、０．５〜３ｍｍであることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。

このように、適用例５のプラズマジェット点火プラグでは、中心電極の最先端部と絶縁部材の小径部との重なり量が、０．５〜３ｍｍとなるようにしている。このような範囲となるように設定することにより、放電の形態が沿面放電となるため、放電電圧の増加が抑制される。

［適用例６］
適用例１ないし適用例５のうちの任意の１つに記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、前記中心電極は、前記先端部と前記最先端部との間に位置する第２の段差部をさらに有し、前記第１の段差部と前記収容部とが成す角度をθ１とし、前記第２の段差部と前記先端部とが成す角度をθ２としたとき、θ１＜θ２であることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。

このように、適用例６のプラズマジェット点火プラグでは、絶縁部材における第１の段差部と収容部とが成す角度θ１と、中心電極における第２の段差部と先端部とが成す角度θ２とが、θ１＜θ２の関係を満たすようにしている。このようにすることにより、絶縁部材における第１の段差部及び小径部の消耗を抑えることができると共に、中心電極の先端の熱引きの悪化を抑制でき、また、段差部間に燃焼ガスが溜まるのを防止することができる。

［適用例７］
適用例１ないし適用例６のうちの任意の１つに記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、前記キャビティ部の容積をＲとし、前記キャビティ部の前記軸線方向に沿った長さをＳとし、前記小径部の内径をＮとしたとき、前記容積Ｒは、Ｒ≦２．５ｍｍ³であり、かつ、前記長さＳと前記内径Ｎとの比は、Ｓ／Ｎ≧０．３であることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。

このように、適用例７のプラズマジェット点火プラグでは、キャビティ部の容積ＲがＲ≦２．５ｍｍ³となり、かつ、キャビティ部の長さＳと小径部の内径Ｎとの比は、Ｓ／Ｎ≧０．３となるように設定している。このような範囲に設定して、キャビティ部の形状を最適化することにより、着火性を良好することができる。

［適用例８］
適用例１ないし適用例７のうちの任意の１つに記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、前記第１の段差部と前記第２の段差部との間に間隙を有することを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。

このように、適用例８のプラズマジェット点火プラグでは、絶縁部材における第１の段差部と中心電極における第２の段差部との間に間隙を設けるようにしている。このような間隙を設けることにより、絶縁部材の先端部分の熱が、中心電極に逃げないようにすることができるので、中心電極の先端における温度上昇を抑制できる。

［適用例９］
適用例１ないし適用例８のうちの任意の１つに記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、前記中心電極は、少なくともその先端が、融点２４００℃以上の純金属または合金から成ることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。

このように、適用例９のプラズマジェット点火プラグでは、中心電極の少なくとも先端を融点２４００℃以上の純金属または合金で構成するようにしている。こうすることにより、プラズマジェット点火プラグにプラズマ電流を流し込んだ際にも、中心電極の先端を溶けにくくすることができる。

［適用例１０］
適用例９に記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、前記中心電極は、少なくともその先端が、タングステンまたはタングステン合金から成ることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。

このように、適用例１０のプラズマジェット点火プラグでは、中心電極の少なくとも先端をタングステンまたはタングステン合金で構成するようにしている。

なお、上述した種々の形態または適用例は、適宜組み合わせたり、構成の一部省略したりすることが可能である。

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．プラズマジェット点火プラグの構造：
Ｂ．プラズマジェット点火プラグの駆動：
Ｃ．実施例の特徴点：
Ｃ−１．絶縁碍子小径部の形状：
Ｃ−２．中心電極の形状：
Ｃ−３．キャビティ周囲の静電容量：
Ｃ−４．接地電極及び小径部の内径：
Ｃ−５．中心電極の極性：
Ｃ−６．絶縁碍子小径部と中心電極最先端部との重なり：
Ｃ−７．段差部の角度：
Ｃ−８．キャビティの形状：
Ｃ−９．段差部間の間隙：
Ｃ−１０．中心電極先端の材質：
Ｄ．変形例：

Ａ．プラズマジェット点火プラグの構造：
図１は本発明の一実施例としてのプラズマジェット点火プラグ１００を一部破断して示した断面図である。また、図２は図１のプラズマジェット点火プラグ１００の先端部分の中心近傍を拡大して示した断面図である。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２に示すように、プラズマジェット点火プラグ１００は、軸線Ｏ方向に沿った軸孔１２を有する筒状の絶縁碍子１０と、この絶縁碍子１０の軸孔１２内に収容される中心電極２０と、絶縁碍子１０の先端に配置される板状の接地電極３０と、絶縁碍子１０の後端に設けられる端子金具４０と、絶縁碍子１０を保持する主体金具５０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る絶縁部材であって、その誘電率は８〜１１である。絶縁碍子１０は、その外形において、軸線Ｏ方向の略中央が鍔状になっており、その鍔状の部分を境として、後端側と先端側に分かれている。そして、鍔状部分より先端側は、途中が段状となっていて、先端部分は外径がさらに小さくなっている。

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(図示せず）を有している。そして、先端には、タングステンまたはタングステン合金から成る円盤状の電極チップ(図示せず)が溶接により取り付けられている。中心電極２０は、胴体部２１と、その胴体部２１よりも先端側に位置する先端部２２と、その先端部２２よりも先端側に位置する最先端部２３と、それら先端部２２と最先端部２３と間に位置する段差部２４と、に分かれている。先端部２２の外径は、胴体部２１の外径よりも小さくなっており、最先端部２３の外径は、先端部２２の外径よりも小さくなっている。胴体部２１と先端部２２との間は鍔状になっており、その鍔状の部分が、絶縁碍子１０の軸孔１２内において、段状の部位に当接することにより、軸孔１２内で中心電極２０が位置決めされる。

また、絶縁碍子１０の軸孔１２を形成する部分において、上記の段状の部位より先端側は、中心電極２０の先端部２２を収容する収容部１４と、その収容部１４よりも先端側に位置し、中心電極２０の最先端部２３が配置される小径部１５と、それら収容部１４と小径部１５との間に位置する段差部１６と、に分かれている。小径部１５の内径は、中心電極２０の先端部２２の外径より小さく、収容部１４の内径よりも小さくなっている。中心電極２０の先端は、絶縁碍子１０の小径部１５内において、絶縁碍子１０の先端よりも後側に位置しており、中心電極２０の先端と小径部１５の内周とで包囲される容積の小さな空間は、放電空間と成り得るキャビティ６０を形成している。

また、接地電極３０は、耐火花消耗性に優れた金属で形成されており、一例としてＩｒ系合金が用いられる。接地電極３０は、厚さが０．３〜１ｍｍの円盤状を成しており、その中央には、キャビティ６０が外気と連通するように開口部３１を有している。接地電極３０は、絶縁碍子１０の先端に当接した状態で、主体金具５０の先端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、接地電極３０の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。

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。なお、シール体４は、熱によって溶けるのを防ぐために、中心電極２０の先端部から必要な限り離れた位置に配置されている。また、端子金具４０にはプラグキャップ（図示せず）を介して高圧ケーブル（図示せず）が接続される。

主体金具５０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、プラグレンチ(図示せず)が嵌合する工具係合部５１と、内燃機関の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。

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、絶縁碍子１０外周の段状の部位が、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、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。

Ｂ．プラズマジェット点火プラグの駆動：
図３は図１のプラズマジェット点火プラグ１００の駆動するための点火装置の概略構成を示すブロック図である。

プラズマジェット点火プラグ１００は、上記した高圧ケーブルを介して、点火装置２００に接続される。点火装置２００は、互いに異なる系統である、トリガ電源２１０とプラズマ電源２２０とを備えている。なお、プラズマ電源２２０としては、１０〜１２０ｍＪの出力を有するものを使用している。

まず、トリガ電源２１０からコイル２１２を介して所望の電力が出力され、その電力が、上記した高圧ケーブルを介してプラズマジェット点火プラグ１００に供給されると、プラズマジェット点火プラグ１００において、その電力は、上記高圧ケーブルの接続された端子金具４０からシール体４を介して中心電極２０に供給される。これにより、中心電極２０と接地電極３０との間の火花放電間隙において、火花放電(ブレイクダウン)が起き、その火花放電はキャビティ６０内の空間や壁面を通過する。こうして、火花放電によって絶縁破壊されると、その直後、中心電極２０の電圧として、放電維持電圧が低下する。その低下したタイミングで、別系統であるプラズマ電源２２０からプラズマ電流を流し込むと、そのときに供給されるエネルギによって、キャビティ６０内でプラズマが形成される。こうして形成されたプラズマが、接地電極３０の開口部３１から噴出されると、内燃機関において、混合気への着火が行われる。なお、図３において、Ｃ１は、一般的にプラズマジェット点火プラグ１００が保持している静電容量である。Ｃ２については、後ほど説明する。

Ｃ．実施例の特徴点：
Ｃ−１．絶縁碍子小径部の形状：
本実施例においては、図２に示すように、絶縁碍子１０の小径部１５のうち、軸線Ｏ方向の形状は、直線状になっている。

このように、小径部１５の軸線Ｏ方向の形状を直線状とすることにより、キャビティ６０内における放電経路が直線となるため、放電経路が曲線もしくはＬ字型である場合に比較して、絶縁碍子１０内部への電界強度を弱くすることができ、チャンネリングの進展を抑制することができる。

Ｃ−２．中心電極の形状：
本実施例においては、図２に示すように、中心電極２０の外径が、最先端部２３，段差部２４，先端部２２，胴体部２１の順に大きくなっているため、中心電極２０の先端で受けた熱を、最先端部２３から胴体部２１に向かって効率よく伝達することができ、中心電極２０の熱引きを向上させることができる。その結果、中心電極２０の耐久性を確保することが可能となる。

Ｃ−３．キャビティ周囲の静電容量：
本実施例においては、絶縁碍子１０のうち、中心電極２０と接地電極３０との間に挟まれた部分、言い換えれば、キャビティ６０の周囲を囲む部分（小径部１５，段差部１６など）の静電容量Ｃ２が適度な値となるように、その部分の形状、中心電極２０と接地電極３０と位置関係等を考慮して、以下の如く設定するようにしている。但し、絶縁碍子１０の誘電率は、前述したとおり、８〜１１であるものとする。

図４は図２における絶縁碍子１０のうち、中心電極２０と接地電極３０との間に挟まれた部分を拡大して示した断面図である。すなわち、図４に示すように、例えば、接地電極３０において、開口部３１の内周の径が中心電極２０の先端部２２の外径よりも小さく絶縁碍子１０の小径部１５の内径よりも大きい場合に、接地電極３０の開口部３１の内周から軸線Ｏ方向に沿って直線Ｋ１を引いた際、その直線Ｋ１と絶縁碍子１０の先端とが交わる交点Ｐ１と、その直線Ｋ１と絶縁碍子１０の段差部１６とが交わる交点Ｐ２と、の間の距離をａとする。そして、中心電極２０の先端部２２の外周から軸線Ｏ方向に沿って直線Ｋ２を引いた場合に、その直線Ｋ２と絶縁碍子１０の段差部１６とが交わる交点Ｐ３と、その直線Ｋ２と絶縁碍子１０の先端とが交わる交点Ｐ４と、の間の距離をｂとする。さらに、接地電極３０と中心電極２０の先端部２２とを、軸線Ｏ方向に投影した場合に、接地電極３０と中心電極２０の先端部２２との重なった面積をｃとする。そして、このように定義した距離ａ，ｂ及び面積ｃが、０．２≦（２ｃ）／（ａ＋ｂ）≦４の関係を満足するように、キャビティ６０の周囲を囲む部分の形状を設定するようにする。なお、接地電極３０において、開口部３１の内周の径が中心電極２０の先端部２２の外径よりも小さく絶縁碍子１０の小径部１５の内径よりも小さい場合には、上記距離ａは、小径部１５の内周の軸線Ｏ方向の長さとする。また、接地電極３０において、開口部３１の内周の径が、内周方向における位置によって変化する場合（例えば、後述する図９（ｄ）に示すように、開口部３１の内周に複数の突起を有するような場合）には、内周方向における各位置において、上記距離ａを求め、それらの平均値を上記式に適用するようにする。

このような形状に設定することにより、キャビティ６０の周囲を囲む部分（小径部１５，段差部１６など）の静電容量Ｃ２を、適度な値とすることができるため、いわゆるプラズマ抜けを防止することができる。

それでは、図３及び図５を用いて、本実施例におけるプラズマ抜け防止の原理について説明する。

図３において、点火装置２００のプラズマ電源２２０からプラズマジェット点火プラグ１００にプラズマ電流を流し込む場合、一般には、前述したとおり、先に、トリガ電源２１０によって、中心電極２０と接地電極３０との間(プラグギャップ間）に放電現象を発生させ、それらの間を導通状態にした上で、接地電極３０に対する中心電極２０の電圧として、放電維持電圧が例えば−５００Ｖ以上になることで、プラズマ電源２２０が、その内部に備えるコンデンサ(図示せず）に蓄えられた電荷を一気にプラズマ電流として流し込むことができる。なお、図３において、Ｃ２は、前述したとおり、キャビティ６０の周囲を囲む部分の静電容量である。

図５は放電前後における接地電極に対する中心電極の電圧の波形を比較して示した波形図である。図５において、（ａ）は従来のプラズマジェット点火プラグについての波形を、（ｂ）は本実施例のプラズマジェット点火プラグ１００についての波形を、（ｃ）は、キャビティ６０の周囲を囲む部分の静電容量Ｃ２が、大きな値になり過ぎている場合の波形を、それぞれ示している。

従来のプラズマジェット点火プラグにおいては、図５（ａ）に示すように、使用条件によって、放電維持電圧が高くなりすぎる場合があり、そのような場合には、プラズマ電流を流し込むことができず、プラズマ抜けが発生する。これに対し、本実施例のプラズマジェット点火プラグ１００においては、前述したとおり、キャビティ６０の周囲を囲む部分の静電容量Ｃ２が適度な値となっているので、図５（ｂ）に示すように、放電維持電圧を低下させることができ、プラズマ電流を流し込みやすくすることができる。また、火花放電(ブレイクダウン)時に放出された電荷が、再び、そのキャビティ６０の周囲を囲む部分の静電容量Ｃ２に蓄積され、中心電極２０の電圧が逆方向（プラス側）に大きく振れるため、プラズマ電流の流し込みを促すことができる。

なお、上記した距離ａ，ｂ及び面積ｃが、ａ＜ｂかつ０．２≦（２ｃ）／（ａ＋ｂ）≦４の関係を満足せず、キャビティ６０の周囲を囲む部分の静電容量Ｃ２が、大きな値になり過ぎている場合には、図５（ｃ）に示すようにトリガ電源２１０側のコイル２１２のインダクタより、誘導電流が流れ込むことで、中心電極２０の電圧として、放電維持電圧が−５００Ｖ以下となり、プラズマ電流が流し込めなくなる。

そこで、本実施例に係るプラズマ抜け評価結果の一例を、図６を用いて説明する。図６は本実施例に係るプラズマ抜け評価結果の一例を示す説明図である。図６において、縦軸はプラズマ抜け発生率（％）を示し、横軸は、上記した距離ａ，ｂ及び面積ｃに基づく（２ｃ）／（ａ＋ｂ）の値を示している。なお、評価条件は、チャンバー圧を１．０ＭＰａとした上で、プラズマ抜け発生率３％を判定ラインとした。

図６から明らかなように、（２ｃ）／（ａ＋ｂ）≧０．２以上で、プラズマ抜け発生率が３％以下となり、プラズマ抜けが大幅に減少する。また、１．０≦（２ｃ）／（ａ＋ｂ）≦２．０は、プラズマ抜け発生率が０％であり、良好である。（２ｃ）／（ａ＋ｂ）＞４では、キャビティ６０の周囲を囲む部分の静電容量Ｃ２が、大きな値になりすぎるため、火花放電(ブレイクダウン)後の放電維持電圧が高くなり、プラズマ抜けが発生している。

Ｃ−４．接地電極及び小径部の内径：
図７は図２における接地電極３０の開口部３１及び絶縁碍子１０の小径部１５先端を拡大して示した断面図である。本実施例においては、図７に示す接地電極３０における開口部３１の内径ｍは、絶縁碍子１０における小径部１５先端の内径ｎに対し、７５〜１２０％の範囲となるように設定している。

このように、小径部１５先端の内径ｎ、すなわち、言い換えれば、キャビティ６０の内径に対する、開口部３１の内径ｍの比率を上記範囲に設定して最適化することにより、チャンネリングが発生しても、キャビティ６０内において、小径部１５の内周上にほぼ均一にチャンネリングが発生することになるため、チャンネリング進展を均一化させ、プラズマジェット点火プラグ１００の耐久性を向上させることができ、着火性を良好のまま保つことができる。

これに対し、キャビティ６０の内径に対する開口部３１の内径の比率が上記範囲から外れ、キャビティ６０の内径に対して開口部３１の内径が小さすぎると、開口部３１からのプラズマフレームの噴出を遮断してしまい、着火性が低下するおそれがある。反対に、キャビティ６０の内径に対して開口部３１の内径が大きすぎると、放電経路がＬ字型になってしまうため、チャンネリングが進展すると同時に、チャンネリングの発生した部分では、接地電極３０と中心電極２０との距離が最短となるため、放電経路がその部分に集中して、チャネリングの進展がその部分に偏ってしまい、着火性が低下するおそれがある。

そこで、本実施例に係る着火性評価結果の一例を、図８を用いて説明する。図８は本実施例に係る着火性評価結果の一例を示す説明図である。図８において、縦軸は、着火性を表す指標として、内燃機関をノーロード（Ｎ／Ｌ）状態で駆動して（回転数８２０ｒｐｍ）、失火が１％発生した時のＡ／Ｆ（空気／燃料）値を示し、横軸は、上記した小径部１５先端の内径ｎ（すなわち、キャビティ６０の内径）に対する開口部３１の内径ｍの比率（ｍ／ｎ）（％）を示している。なお、評価条件は、Ａ／Ｆ＝１５を着火性限界ラインとして、Ａ／Ｆ値がその値以上である場合を合格とした。評価対象としては、新品の製品と、チャンネリング耐久1,000時間（耐久1,000Hr）の製品を用いた。チャンネリング耐久1,000時間の製品について、チャンネリング耐久条件は、圧力０．４ＭＰａのチャンバー内において、周波数６０Ｈｚで火花放電（トリガ放電）させることとした。

図８から明らかなように、キャビティ６０の内径に対する開口部３１の内径の比率が、７５％以上で、良好な着火性を得られる。但し、チャンネリング耐久1,000時間の製品においては、上記比率が１２０％より大きくなると急激に着火性が低下する。よって、上記比率が７５％〜１２０％の場合に、着火性が良好である。

なお、本実施例において、キャビティ６０に対する接地電極３０の開口部３１の形態としては、図９に示すような種々の形態を採ることができる。図９は図２における接地電極３０の開口部３１及び絶縁碍子１０の小径部１５先端を、プラズマジェット点火プラグ１００の先端側から見て示した説明図である。

図９において、（ａ）は、接地電極３０における開口部３１の内径ｍを、絶縁碍子１０における小径部１５先端の内径ｎ（すなわち、キャビティ６０の内径）よりも大きくした場合の形態を示している。反対に、（ｂ）は、接地電極３０における開口部３１の内径ｍを、絶縁碍子１０における小径部１５先端の内径ｎより小さくした場合の形態を示している。また、（ｃ）は、接地電極３０における開口部３１の内周の一部が接地電極３０の外周とつながり、開口部３１が開放された形態を示し、（ｄ）は、接地電極３０における開口部３１の内周に複数の突起を有する形態を示している。

Ｃ−５．中心電極の極性：
本実施例においては、接地電極３０に対して、中心電極２０を負極として用いるようにしている。

図１０は図２における中心電極２０の極性の違いに起因するチャンネリングの進展の仕方の違いを示す説明図である。図１０において、（ａ）は中心電極２０を負極として用いた場合を示し、（ｂ）は正極として用いた場合を示している。

一般に、チャンネリングの進展は、負極側の方が大きいため、図１０（ｂ）に示すように、接地電極３０に対して、中心電極２０を正極として用いた場合、絶縁碍子１０において、小径部１５の先端部分がチャンネリングによって削れやすくなり、放電経路が接地電極３０の底面側に潜り込むようになるため、着火性が低下するおそれがある。これに対し、図１０（ａ）に示すように、本実施例の如く、接地電極３０に対して、中心電極２０を負極として用いるようにした場合には、小径部１５の先端部分が削れるようなことはなく、小径部１５の内周のうち、中心電極２０の先端近傍が削れやすくなり、そのように削れた場合には、放電経路が外側から内側に向かう形になり、チャンネリングの進展に対する着火性の低下が抑制される。

そこで、中心電極２０の極性の違いによって着火性レベル維持の程度がどのように違うかについて、図１１を用いて説明する。図１１は中心電極２０の極性の違いによる着火性レベル維持時間の違いを示す説明図である。図１１において、縦軸は、チャンネリング耐久条件の下での耐久時間を示している。具体的には、内燃機関をノーロード（Ｎ／Ｌ）状態で駆動して（回転数８２０ｒｐｍ）、失火が１％発生した時のＡ／Ｆ（空気／燃料）値が１５を下回るまでの時間としている。なお、チャンネリング耐久条件は、図８の場合と同様に、圧力０．４ＭＰａのチャンバー内において、周波数６０Ｈｚで火花放電（トリガ放電）させることとした。

図１１から明らかなように、接地電極３０に対し、中心電極２０を負極として用いることにより、着火性レベル維持の時間が大幅に改善される。

Ｃ−６．絶縁碍子小径部と中心電極最先端部との重なり：
図１２は図２における絶縁碍子１０の小径部１５と中心電極２０の最先端部２３との重なり具合を示す説明図である。本実施例においては、図１２に示すように、軸線Ｏ方向において、絶縁碍子１０の小径部１５と中心電極２０の最先端部２３との重なり量ｄが、０．５〜３ｍｍとなるようにしている。

図１３は絶縁碍子１０の小径部１５と中心電極２０の最先端部２３との重なり量の違いによる放電電圧増加率を示す説明図である。図１３において、縦軸は、プラズマ耐久後の放電案圧増加率（％）を示し、横路は、絶縁碍子１０の小径部１５と中心電極２０の最先端部２３との重なり量ｄを示している。なお、プラズマ耐久条件は、周波数６０Ｈｚで１００時間（60Hz×100Hr）、１１８ｍＪ、チャンバー圧力０．４ｍＰａとした上で、放電電圧の増加率５０％を判定ラインとした。

重なり量ｄが０．５ｍｍより小さい場合には、中心電極２０の最先端部２３に対し電極消耗が起きると、絶縁碍子１０の小径部１５と重なっていない部分まで電極消耗が進み、放電の形態が気中放電＋沿面放電となるため、図１３に示すように、放電電圧が大幅に増加する。

重なり量ｄが３ｍｍより大きい場合には、中心電極２０の熱引きが悪化して、２０の酸化が著しく進行し、放電電圧が大幅に増加する。

これに対し、重なり量ｄが０．５〜３ｍｍの範囲内の場合には、放電の形態が沿面放電となるため、放電電圧の増加が抑制される。

Ｃ−７．段差部の角度：
図１４は図２における絶縁碍子１０の段差部１６及び中心電極２０の段差部２４の近傍を拡大して示した断面図である。本実施例においては、図１４（ａ）に示すように、絶縁碍子１０において、段差部１６と収容部１４とが成す角度をθ１とし、中心電極２０において、段差部２４と先端部２２とが成す角度をθ２とした場合に、それらの角度がθ１＜θ２の関係を満たすように設定している。

これに対し、例えば、図１４（ｂ）に示すように、段差部１６と収容部１４とが成す角度θ１と、段差部２４と先端部２２とが成す角度θ２と、の関係を、上記とは反対に、θ１＞θ２とした場合、中心電極２０の最先端部２３の軸線Ｏ方向の長さが、図１４（ａ）の場合と同じであるとすると、中心電極２０の最先端部２３が消耗したとき、接地電極３０との間での点ｅに電界が集中し、放電の基点となりやすくなるため、絶縁碍子１０の段差部１６及び小径部１５が消耗しやすくなる。

また、例えば、図１４（ｃ）に示すように、角度θ１と角度θ２との関係をθ１＞θ２とすると共に、中心電極２０の最先端部２３の軸線Ｏ方向の長さを、図１４（ａ）の場合よりも長くすると、中心電極２０の２３の消耗による影響は緩和されるものの、最先端部２３の長さが長くなった分、中心電極２０の先端の熱引きが悪化し、中心電極２０の先端が消耗しやすくなると共に、段差部１６と段差部２４との間の空間が広くなるため、その部分に燃焼ガスが溜まりやすくなる。

Ｃ−８．キャビティの形状：
、図１５は図２におけるキャビティ６０を拡大して示した断面図である。本実施例においては、図１５に示すように、キャビティ６０の容積をＲとし、キャビティ６０における軸線Ｏ方向に沿った長さをＳとし、キャビティ６０の内径（すなわち、言い換えれば、絶縁碍子１０の小径部１５の内径）をＮとしたとき、容積Ｒは、Ｒ≦２．５ｍｍ³となり、かつ、長さＳと内径Ｎとの比は、Ｓ／Ｎ≧０．３となるように設定している。

キャビティ６０の容積Ｒ，長さＳ，内径Ｎをこのような範囲に設定して、キャビティ６０の形状を最適化することにより、着火性を良好することができる。

図１６は図２におけるキャビティ６０の形状の違いによる着火性の評価結果を示す説明図である。図１６において、縦軸は、図８の場合と同様に、着火性を表す指標として、内燃機関をノーロード（Ｎ／Ｌ）状態で駆動して（回転数８２０ｒｐｍ）、失火が１％発生した時のＡ／Ｆ値を示し、横軸は、上記したキャビティ６０の容積Ｒ（ｍｍ³）を示している。そして、キャビティ６０の内径Ｎ（ｍｍ）が、φ０．５，φ１．０，φ１．３，φ１．５，φ２．０の５つの場合についてそれぞれ示している。なお、評価条件は、図８の場合と同様に、Ａ／Ｆ＝１５を着火性限界ラインとして、Ａ／Ｆ値がその値以上である場合を合格とした。

図１６から明らかなように、キャビティ６０の容積Ｒが、２．５ｍｍ³を超えると、急激に着火性が低下する。また、キャビティ６０の内径Ｎがφ２．０ｍｍの場合には、容積Ｒが２ｍｍ³以下になっても、着火性が低下する。理由としては、キャビティ６０の内径Ｎが大きくなると、キャビティ６０の長さＳとの比率が影響してくるものと考えられる。

また、図１６に示す全データについて、キャビティ６０の長さＳと内径Ｎとの比を求めた場合、キャビティ６０の容積Ｒが２．５ｍｍ³以下の製品について、着火性が低下しているものは、上記比が０．２５以下のものであり、着火性が低下していないものは、上記比が０．３以上のものである。

従って、キャビティ６０の容積Ｒが２．５ｍｍ³以下であり、かつ、キャビティ６０の長さＳと内径Ｎとの比が０．３以上である場合に、着火性が良好である。

Ｃ−９．段差部間の間隙：
本実施例においては、図２に示すように、絶縁碍子１０における段差部１６と中心電極２０における段差部２４との間に、間隙を設けるにようにしている。これにより、絶縁碍子１０の先端部分の熱が、中心電極２０に逃げないようにすることができるので、中心電極２０の先端における温度上昇を抑制できる。

Ｃ−１０．中心電極先端の材質：
本実施例においては、前述したとおり、中心電極２０の先端が、タングステンまたはタングステン合金から成っているので、プラズマジェット点火プラグ１００にプラズマ電流を流し込んだ際にも、中心電極２０の先端を溶けにくくすることができる。なお、中心電極２０の先端は、タングステンやタングステン合金以外に、融点２４００℃以上の純金属または合金で構成するようにしてもよい。

Ｄ．変形例：
なお、本発明は上記した実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。

上記した実施例では、特徴点として、Ｃ−１〜Ｃ−１０に記載の各特徴点を有していたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、少なくとも、Ｃ−１，Ｃ−２に記載の特徴点を有していればよく、その他の特徴点については有していなくてもよい。また、有する場合も、それら特徴点を任意に組み合わせてよい。

本発明の一実施例としてのプラズマジェット点火プラグ１００を一部破断して示した断面図である。 図１のプラズマジェット点火プラグ１００の先端部分の中心近傍を拡大して示した断面図である。 図１のプラズマジェット点火プラグの駆動するための点火装置の概略構成を示すブロック図である。 図２における絶縁碍子１０のうち、中心電極２０と接地電極３０との間に挟まれた部分を拡大して示した断面図である。 放電前後における接地電極に対する中心電極の電圧の波形を比較して示した波形図である。 本発明の一実施例に係るプラズマ抜け評価結果の一例を示す説明図である。 図２における接地電極３０の開口部３１及び絶縁碍子１０の小径部１５先端を拡大して示した断面図である。 本発明の一実施例に係る着火性評価結果の一例を示す説明図である。 図２における接地電極３０の開口部３１及び絶縁碍子１０の小径部１５先端を、プラズマジェット点火プラグ１００の先端側から見て示した説明図である。 図２における中心電極２０の極性の違いに起因するチャンネリングの進展の仕方の違いを示す説明図である。 中心電極２０の極性の違いによる着火性レベル維持時間の違いを示す説明図である。 図２における絶縁碍子１０の小径部１５と中心電極２０の最先端部２３との重なり具合を示す説明図である。 絶縁碍子１０の小径部１５と中心電極２０の最先端部２３との重なり量の違いによる放電電圧増加率を示す説明図である。 図２における絶縁碍子１０の段差部１６及び中心電極２０の段差部２４の近傍を拡大して示した断面図である。 図２におけるキャビティ６０を拡大して示した断面図である。 図２におけるキャビティ６０の形状の違いによる着火性の評価結果を示す説明図である。

符号の説明

４…シール体
５…ガスケット
６，７…リング部材
９…タルク
１０…絶縁碍子
１２…軸孔
１４…収容部
１５…小径部
１６…段差部
２０…中心電極
２１…胴体部
２２…先端部
２３…最先端部
２４…段差部
３０…接地電極
３１…開口部
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…ねじ部
５３…加締部
５４…鍔部
５５…座面
５６…係止部
５８…係合部
６０…キャビティ
８０…パッキン
１００…プラズマジェット点火プラグ
２００…点火装置
２１０…トリガ電源
２１２…コイル
２２０…プラズマ電源

Claims (10)

1. 軸線方向に沿った軸孔を有する筒状の絶縁部材と、
   該絶縁部材の前記軸孔内に収容される棒状の中心電極と、
   前記絶縁部材の先端に配置される板状の接地電極と、
   を備えるプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記中心電極は、胴体部と、該胴体部の外径よりも小さい外径を有し、前記胴体部よりも先端側に位置する先端部と、前記先端部の外径よりも小さい外径を有し、前記先端部よりも先端側に位置する最先端部と、を有し、
   前記絶縁部材において、前記軸孔を形成する部分は、前記中心電極の前記胴体部の外径よりも小さい内径を有し、前記中心電極の少なくとも前記先端部を収容する収容部と、前記中心電極の前記先端部の外径よりも小さく前記収容部の内径よりも小さい内径を有し、前記収容部よりも先端側に位置し、前記中心電極の少なくとも前記最先端部が配置される小径部と、を有し、
   前記中心電極の先端は、前記絶縁部材の前記小径部内において、前記絶縁部材の先端よりも後側に位置して、前記小径部の内周と共に、キャビティ部を形成しており、
   前記接地電極は、前記キャビティ部と外気とを連通するための開口部を有し、
   前記小径部の前記軸線方向の形状は、直線状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. 請求項１に記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記絶縁部材において、前記軸孔を形成する部分は、前記収容部と前記小径部との間に位置する第１の段差部をさらに有し、
   前記接地電極において、前記開口部の内周の径が前記中心電極の前記先端部の外径よりも小さく前記小径部の内径よりも大きい場合には、前記接地電極の前記開口部の内周から前記軸線方向に沿って第１の直線を引いた場合に、前記第１の直線と前記絶縁部材の先端とが交わる第１の交点と、前記第１の直線と前記絶縁部材の前記第１の段差部とが交わる第２の交点と、の間の距離をａとし、
   前記接地電極において、前記開口部の内周の径が前記中心電極の前記先端部の外径よりも小さく前記小径部の内径よりも小さい場合には、前記小径部の内周の前記軸線方向の長さをａとし、
   前記中心電極の前記先端部の外周から前記軸線方向に沿って第２の直線を引いた場合に、前記第２の直線と前記絶縁部材の前記第１の段差部とが交わる第３の交点と、前記第２の直線と前記絶縁部材の先端とが交わる第４の交点と、の間の距離をｂとし、
   前記接地電極と前記中心電極の前記先端部とを、前記軸線方向に投影した場合に、前記接地電極と前記中心電極の前記先端部との重なった面積をｃとしたとき、０．２≦（２ｃ）／（ａ＋ｂ）≦４の関係であることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
3. 請求項１または請求項２に記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記接地電極における前記開口部の内径は、前記絶縁部材における前記小径部先端の内径に対し、７５〜１２０％の範囲にあることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
4. 請求項１ないし請求項３のうちの任意の１つに記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記中心電極は、負極として用いられることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
5. 請求項１ないし請求項４のうちの任意の１つに記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記軸線方向において、前記最先端部と前記小径部との重なり量は、０．５〜３ｍｍであることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
6. 請求項１ないし請求項５のうちの任意の１つに記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記中心電極は、前記先端部と前記最先端部との間に位置する第２の段差部をさらに有し、
   前記第１の段差部と前記収容部とが成す角度をθ１とし、前記第２の段差部と前記先端部とが成す角度をθ２としたとき、θ１＜θ２であることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
7. 請求項１ないし請求項６のうちの任意の１つに記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記キャビティ部の容積をＲとし、前記キャビティ部の前記軸線方向に沿った長さをＳとし、前記小径部の内径をＮとしたとき、前記容積Ｒは、Ｒ≦２．５ｍｍ³であり、かつ、前記長さＳと前記内径Ｎとの比は、Ｓ／Ｎ≧０．３であることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
8. 請求項１ないし請求項７のうちの任意の１つに記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記第１の段差部と前記第２の段差部との間に間隙を有することを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
9. 請求項１ないし請求項８のうちの任意の１つに記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記中心電極は、少なくともその先端が、融点２４００℃以上の純金属または合金から成ることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
10. 請求項９に記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、
    前記中心電極は、少なくともその先端が、タングステンまたはタングステン合金から成ることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。

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