JP5671446B2 - プラズマジェット点火プラグ - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを生成して混合気への着火を行うプラズマジェット点火プラグに関する。

従来、内燃機関等の燃焼装置においては、火花放電により混合気へと着火する点火プラグが使用されている。また近年では、燃焼装置の高出力化や低燃費化の要求に応えるべく、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より確実に着火可能な点火プラグとして、プラズマジェット点火プラグが提案されている。

一般にプラズマジェット点火プラグは、軸孔を有する筒状の絶縁体と、先端面が絶縁体の先端面よりも没入した状態で軸孔内に挿設される中心電極と、絶縁体の外周に配置される主体金具と、主体金具の先端部に接合される円環状の接地電極とを備える。また、プラズマジェット点火プラグは、中心電極の先端面及び軸孔の内周面によって形成された空間（キャビティ部）を有しており、当該キャビティ部は接地電極に形成された貫通孔を介して外部に連通されるようになっている。

加えて、このようなプラズマジェット点火プラグにおいては、次のようにして混合気への着火が行われる。まず、中心電極と接地電極との間に電圧を印加して、両者の間で火花放電を生じさせて両者の間を絶縁破壊する。その上で、両者の間に高エネルギーの電流を流すことによって放電状態を遷移させて、キャビティ部の内部にプラズマを発生させる。そして、発生したプラズマがキャビティ部の開口から噴出することで、混合気への着火が行われる。

また近年では、一層優れた着火性を実現すべく、キャビティ部の内径を比較的小さくすることでプラズマの噴出速度を増大させ、フレーム（火柱）の噴出距離をより大きくする手法が提案されている（例えば、特許文献１等参照）。

特開２００６−２９４２５７号公報

ところで、燃費や出力の向上を図るべく、高圧縮比のエンジン等が開発されているが、このようなエンジンに対してプラズマジェット点火プラグを用いた場合には、絶縁体のうちキャビティ部を形成する部位（キャビティ部の外周に位置する部位）に割れが生じてしまうことがある。この点、本願発明者が鋭意検討したところ、高圧縮比のエンジンにおいては、燃焼室内の圧力によりプラズマの噴出が押さえつけられる形となり、その結果、プラズマの膨張によりキャビティ部（絶縁体）の内周面に加わる圧力が著しく増大してしまうことが原因であることが判明した。

絶縁体の割れを防止するためには、キャビティ部の内径を増大させ、キャビティ部（絶縁体）の内周面に加わる圧力を低減させることが考えられるが、この場合には、プラズマの噴出速度が低下してしまい、着火性が低下してしまうおそれがある。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、良好な着火性を維持しつつ、絶縁体の割れを効果的に防止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にある。

以下、上記目的を解決するのに適した各構成につき、項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する構成に特有の作用効果を付記する。

構成１．本構成のプラズマジェット点火プラグは、軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
自身の先端面が前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向後端側に位置するようにして前記軸孔に挿設される中心電極と、
前記絶縁体の外周に配置される主体金具と、
前記主体金具の先端部に固定され、前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向先端側に配置される接地電極とを備え、
前記軸孔の内周面及び前記中心電極により形成されるキャビティ部を有するプラズマジェット点火プラグであって、
前記軸孔のうち前記中心電極の先端面よりも前記軸線方向先端側の部位には、前記軸線方向先端側に向けて内径が徐々に拡径する拡径部が設けられ、
前記キャビティ部の最小内径が１．２ｍｍ以下であり、
前記中心電極の先端面から前記キャビティ部の開口縁までの前記軸線に沿った距離をＨ（ｍｍ）としたとき、Ｈ≧０．５を満たすことを特徴とする。

上記構成１によれば、中心電極の先端面からキャビティ部の開口縁までの距離Ｈが０．５ｍｍ以上と十分に大きなものとされている。従って、プラズマの生成量を十分に確保することができる。また、キャビティ部の最小内径が１．２ｍｍ以下とされているため、プラズマの外周側への膨張を抑制することができ、先端側に向けたプラズマの噴出力を高めることができる。その結果、良好な着火性を実現することができる。

一方で、キャビティ部の最小内径が１．２ｍｍ以下と小さくされることで、絶縁体のうちキャビティ部を形成する部位に割れが生じてしまうことが懸念される。この点、上記構成１によれば、軸孔のうち中心電極の先端面よりも先端側の部位（すなわち、キャビティ部の形成された部位）に、先端側に向けて内径が徐々に拡径する拡径部が設けられている。従って、拡径部においてプラズマの外周側に向けた膨張力を先端側に逃がすことができ、絶縁体の内周面に加わる圧力を緩和することができる。その結果、良好な着火性を維持しつつ、絶縁体の割れを効果的に防止することができる。

構成２．本構成のプラズマジェット点火プラグは、上記構成１において、前記拡径部の最先端の内径をＤ１（ｍｍ）とし、前記拡径部の最後端の内径をＤ２（ｍｍ）とし、前記拡径部の前記軸線に沿った長さをＬ（ｍｍ）としたとき、
０．４≦（Ｄ１−Ｄ２）／Ｌ
を満たすことを特徴とする。

上記構成２によれば、（Ｄ１−Ｄ２）／Ｌが０．４以上とされており、先端側に向けた拡径部の拡径率が十分に大きなものとされている。従って、拡径部において、プラズマの膨張力をより確実に先端側へと逃がすことができる。その結果、絶縁体の割れをより確実に防止することができる。

構成３．本構成のプラズマジェット点火プラグは、上記構成１又は２において、前記軸孔には、前記中心電極の先端面から前記軸線方向先端側に向けて延び、略同一の内径を有するストレート部が設けられ、
前記ストレート部の前記軸線に沿った長さをｈ（ｍｍ）としたとき、
１／４≦ｈ／Ｈ≦４／５
を満たすことを特徴とする。

尚、「略同一の内径」とあるのは、軸線方向に沿ってストレート部の内径が厳密に一定のものだけでなく、軸線方向に沿って内径が若干変動しているものも含むという趣旨である。従って、軸線を含む断面において、ストレート部の内周面の外形線が軸線に対して若干（例えば、±５°まで）傾いていてもよい。

上記構成３によれば、キャビティ部の奥側にはストレート部が設けられており、キャビティ部の長さＨに対するストレート部の長さｈの比（ｈ／Ｈ）が１／４以上とされている。従って、ストレート部において、プラズマの外周側に向けた膨張力を先端側に向けたプラズマの噴出力へと効果的に変換することができ、プラズマの噴出距離をより増大させることができる。その結果、着火性の更なる向上を図ることができる。

一方で、絶縁体の内周面のうちストレート部を形成する部位は、プラズマが外周側に向けて膨張した際に大きな圧力を受け得るため、割れの発生が特に懸念されるが、上記構成３によれば、ｈ／Ｈ≦４／５を満たすように構成されており、キャビティ部に対してストレート部が過度に長くならないように構成されている。従って、プラズマ生成に伴い絶縁体の内周面に加わる力を十分に低く抑えることができ、絶縁体の割れを一層確実に防止することができる。

構成４．本構成のプラズマジェット点火プラグは、上記構成３において、前記ストレート部における前記絶縁体の肉厚が１．５ｍｍ以上であることを特徴とする。

絶縁体のうちストレート部を形成する部位は、プラズマ膨張時に大きな圧力を受け得るが、上記構成４によれば、前記部位の肉厚が１．５ｍｍ以上とされている。従って、前記部位に十分な強度をもたせることができ、絶縁体の割れをより一層確実に防止することができる。

構成５．本構成のプラズマジェット点火プラグは、上記構成１乃至４のいずれかにおいて、前記拡径部は、前記軸孔の最先端部に設けられており、
前記拡径部の最先端の内径をＤ１（ｍｍ）とし、前記拡径部の最後端の内径をＤ２（ｍｍ）とし、前記拡径部の前記軸線に沿った長さをＬ（ｍｍ）としたとき、
（Ｄ１−Ｄ２）／Ｌ≦１．４
を満たすことを特徴とする。

上記構成５によれば、（Ｄ１−Ｄ２）／Ｌが１．４以下とされており、先端側に向けた拡径部の拡径率が過度に大きなものとならないように構成されている。従って、拡径部においてプラズマが外周側に向けて過度に膨張してしまい、ひいては先端側に向けたプラズマの噴出力が低下してしまうという事態をより確実に防止することができる。その結果、着火性の一層の向上を図ることができる。

構成６．本構成のプラズマジェット点火プラグは、上記構成１乃至５のいずれかにおいて、前記中心電極の先端から前記接地電極までの前記軸線に沿った最短距離をＫ（ｍｍ）としたとき、Ｋ≦３．０を満たすことを特徴とする。

上記構成６によれば、中心電極及び接地電極間の最短距離Ｋが３．０ｍｍ以下とされているため、火花放電に要する電圧（放電電圧）を比較的低く抑えることができる。従って、放電電圧の増大に伴う放電異常（失火）の発生をより確実に防止することができる。

尚、火花放電に伴い絶縁体の内周面が削られる現象（いわゆるチャンネリング）が生じるが、放電電圧が小さいほど絶縁体は削られにくい。従って、上記構成６により放電電圧の低減を図ることとすれば、チャンネリングの急速な進展も防止することができ、ひいてはチャンネリングの進展に伴う着火性の低下等を長期間に亘って抑制することができる。

構成７．本構成のプラズマジェット点火プラグは、上記構成１乃至６のいずれかにおいて、前記軸孔のうち、前記中心電極の先端面よりも前記軸線方向先端側で、かつ、前記拡径部よりも前記軸線方向後端側の部位には、前記軸線方向先端側に向けて内径が徐々に縮径する縮径部が設けられることを特徴とする。

上記構成７によれば、縮径部の存在により、プラズマがその生成中にキャビティ部の開口側へと漏れ出しにくくなり、一層高温のプラズマを生成することができる。従って、キャビティ部の開口から噴出するプラズマをより高温とすることができ、着火性をより一層向上させることができる。

点火プラグの構成を示す一部破断正面図である。 軸孔等の構成を説明するための点火プラグ先端部の部分拡大断面図である。 ストレート部における絶縁碍子の肉厚Ｔ等を示す点火プラグ先端部の部分拡大断面図である。 キャビティ部の最小内径Ｄ_min及び距離Ｈを種々変更したサンプルにおける、着火性評価試験の試験結果を示すグラフである。 ｈ／Ｈを種々変更したサンプルにおける、着火性評価試験の試験結果を示すグラフである。 拡径部の拡径率を種々変更したサンプルにおける、着火性評価試験の試験結果を示すグラフである。 最短距離Ｋを種々変更したサンプルにおける、放電電圧測定試験の試験結果を示すグラフである。 別の実施形態における拡径部の構成を示す部分拡大断面図である。 別の実施形態における拡径部の構成を示す部分拡大断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、別の実施形態における拡径部の構成を示す部分拡大断面図である。 別の実施形態における軸孔の構成を示す部分拡大断面図である。 別の実施形態における接地電極の構成を示す部分拡大断面図である。 別の実施形態における接地電極の構成を示す部分拡大断面図である。 別の実施形態における接地電極の構成を示す部分拡大断面図である。

以下に、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、プラズマジェット点火プラグ（以下、「点火プラグ」と称す）１を示す一部破断正面図である。尚、図１では、点火プラグ１の軸線ＣＬ１方向を図面における上下方向とし、下側を点火プラグ１の先端側、上側を後端側として説明する。

点火プラグ１は、筒状をなす絶縁体としての絶縁碍子２、これを保持する筒状の主体金具３などから構成されるものである。

絶縁碍子２は、絶縁性セラミック（例えば、アルミナや窒化珪素等）を焼成して形成されており、その外形部において、後端側に形成された後端側胴部１０と、当該後端側胴部１０よりも先端側において径方向外向きに突出形成された大径部１１と、当該大径部１１よりも先端側においてこれよりも細径に形成された中胴部１２と、当該中胴部１２よりも先端側においてこれよりも細径に形成された脚長部１３とを備えている。加えて、絶縁碍子２のうち、大径部１１、中胴部１２、及び、脚長部１３は、主体金具３の内部に収容されている。そして、中胴部１２と脚長部１３との連接部にはテーパ状の段部１４が形成されており、当該段部１４にて絶縁碍子２が主体金具３に係止されている。

さらに、絶縁碍子２には、軸線ＣＬ１に沿って軸孔４が貫通形成されており、当該軸孔４の先端側には中心電極５が挿入、固定されている。当該中心電極５は、熱伝導性に優れる銅や銅合金等からなる内層５Ａ、及び、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするＮｉ合金〔例えば、インコネル（商標名）６００や６０１等〕からなる外層５Ｂを備えている。さらに、中心電極５は、全体として棒状（円柱状）をなし、その先端面が絶縁碍子２の先端面よりも軸線ＣＬ１方向後端側に配置されている。加えて、耐消耗性の向上を図るべく、中心電極５のうち、その先端から軸線ＣＬ１方向後端側に少なくとも０．３ｍｍまでの部位には、タングステン（Ｗ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、又は、これらの金属のうち少なくとも一種を主成分とする合金により形成された電極チップ５Ｃが設けられている。

また、軸孔４の後端側には、絶縁碍子２の後端から突出した状態で端子電極６が挿入、固定されている。

さらに、軸孔４の中心電極５と端子電極６との間には、円柱状のガラスシール層９が配設されている。当該ガラスシール層９により、中心電極５と端子電極６とがそれぞれ電気的に接続されるとともに、中心電極５及び端子電極６が絶縁碍子２に固定されている。

加えて、主体金具３は、低炭素鋼等の金属により筒状に形成されており、その外周面には点火プラグ１を燃焼装置（例えば、内燃機関や燃料電池改質器等）の取付孔に取付けるためのねじ部（雄ねじ部）１５が形成されている。また、ねじ部１５の後端側の外周面には座部１６が形成され、ねじ部１５後端のねじ首１７にはリング状のガスケット１８が嵌め込まれている。さらに、主体金具３の後端側には、主体金具３を前記燃焼装置に取付ける際にレンチ等の工具を係合させるための断面六角形状の工具係合部１９が設けられるとともに、後端部において絶縁碍子２を保持するための加締め部２０が設けられている。

尚、点火プラグ１は、燃焼装置のうち特に高圧縮比のエンジン（例えば、燃焼室内の圧力が２ＭＰａ以上となるもの）に好適に用いられる。

また、主体金具３の内周面には、絶縁碍子２を係止するためのテーパ状の段部２１が設けられている。そして、絶縁碍子２は、主体金具３に挿入され、自身の段部１４が主体金具３の段部２１に係止された状態で、主体金具３の後端側の開口部を径方向内側に加締めること、つまり上記加締め部２０を形成することによって主体金具３に固定されている。尚、絶縁碍子２及び主体金具３双方の段部１４，２１間には、円環状の板パッキン２２が介在されている。これにより、燃焼室内の気密性を保持し、絶縁碍子２の脚長部１３と主体金具３の内周面との隙間に入り込む燃料ガスが外部に漏れないようになっている。

さらに、加締めによる密閉をより完全なものとするため、主体金具３の後端側においては、主体金具３と絶縁碍子２との間に環状のリング部材２３，２４が介在され、リング部材２３，２４間にはタルク（滑石）２５の粉末が充填されている。すなわち、主体金具３は、板パッキン２２、リング部材２３，２４及びタルク２５を介して絶縁碍子２を保持している。

また、主体金具３の先端部内周には、絶縁碍子２の先端よりも軸線ＣＬ１方向先端側に位置するようにして、円板状をなす所定厚さ（例えば、０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下）の接地電極２７が接合されている。接地電極２７は、自身の絶縁碍子２側の面が絶縁碍子２の先端面に接触するとともに、自身の中央に板厚方向に貫通する貫通孔２７Ｈを有している。そして、軸孔４の内周面と中心電極５の先端面とにより形成され、軸孔４の先端を開口端とする空間であるキャビティ部２８が、貫通孔２７Ｈを介して外部へと連通されている。尚、本実施形態において、接地電極２７は、耐消耗性の向上を図るべく、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｎｉ、又は、これらの金属のうち少なくとも一種を主成分とする合金により構成されている。また、貫通孔２７Ｈは軸線ＣＬ１に沿って略同一の内径を有し、貫通孔２７Ｈの内径は軸孔４の先端の内径と等しくされている。

加えて、本実施形態では、図２に示すように、中心電極５の先端面からキャビティ部２８の開口縁（軸孔４の先端）までの軸線ＣＬ１に沿った距離をＨ（ｍｍ）としたとき、Ｈ≧０．５を満たすように、すなわち、キャビティ部２８の軸線ＣＬ１方向に沿った長さが十分に大きくなるように構成されている。一方で、中心電極５の先端から接地電極２７までの軸線ＣＬ１に沿った最短距離をＫ（ｍｍ）としたとき、Ｋ≦３．０を満たすように、すなわち、中心電極５と接地電極２７とが極端に離間しないように構成されている。尚、本実施形態では、上述の通り、接地電極２７の絶縁碍子２側の面が絶縁碍子２の先端面と接触しているため、前記距離Ｈと前記距離Ｋとは等しい長さとなっており、結果として、０．５≦Ｈ≦３．０を満たすこととなっている。

また、キャビティ部２８は、その最小内径Ｄ_min（本実施形態では、後述する内径Ｄ２と等しい）が１．２ｍｍ以下とされている。さらに、キャビティ部２８の最大内径（本実施形態では、後述する内径Ｄ１と等しい）は、所定値（例えば、４．５ｍｍ）以下とされている。

加えて、軸孔４のうち中心電極５の先端面よりも軸線ＣＬ１方向先端側の部位（本実施形態では、軸孔４の最先端部）には、軸線ＣＬ１方向先端側に向けて内径が徐々に拡径するテーパ状の拡径部４Ｅが設けられている。また、拡径部４Ｅの軸線ＣＬ１方向先端側に向けた拡径率が０．４以上１．４以下とされている。尚、「拡径率」とあるのは、拡径部４Ｅの最先端の内径をＤ１（ｍｍ）とし、拡径部４Ｅの最後端の内径をＤ２（ｍｍ）とし、拡径部４Ｅの軸線ＣＬ１に沿った長さをＬ（ｍｍ）としたとき、（Ｄ１−Ｄ２）／Ｌで表される値をいう。

さらに、軸孔４のうち、中心電極５の先端面と拡径部４Ｅの後端との間には、軸線ＣＬ１方向に沿って略同一の内径を有するストレート部４Ｓが形成されている。そして、ストレート部４Ｓの軸線ＣＬ１に沿った長さをｈ（ｍｍ）としたとき、１／４≦ｈ／Ｈ≦４／５を満たすように構成されている。

併せて、図３に示すように、ストレート部４Ｓにおける軸線ＣＬ１と直交する方向に沿った絶縁碍子２の肉厚をＴ（ｍｍ）としたとき、Ｔ≧１．５を満たすように構成されている。

以上詳述したように、本実施形態によれば、中心電極５の先端面からキャビティ部２８の開口縁までの距離Ｈが０．５ｍｍ以上と十分に大きなものとされている。従って、プラズマの生成量を十分に確保することができる。また、キャビティ部２８の最小内径Ｄ_minが１．２ｍｍ以下とされているため、プラズマの外周側への膨張を抑制することができ、先端側に向けたプラズマの噴出力を高めることができる。その結果、良好な着火性を実現することができる。

さらに、軸孔４には拡径部４Ｅが設けられており、当該拡径部４Ｅにおいてプラズマの外周側に向けた膨張力を先端側に逃がすことができる。従って、絶縁碍子２の内周面に加わる圧力を緩和することができ、絶縁碍子２の割れを効果的に防止することができる。

加えて、（Ｄ１−Ｄ２）／Ｌが０．４以上とされているため、プラズマの膨張力をより確実に先端側へと逃がすことができ、絶縁碍子２の割れを抑制する効果をより高めることができる。

併せて、ｈ／Ｈ≦４／５を満たすように構成されており、キャビティ部２８に対してストレート部４Ｓが過度に長くならないように構成されている。従って、プラズマ生成に伴い絶縁碍子２の内周面に加わる力を十分に低く抑えることができ、絶縁碍子２の割れを一層確実に防止することができる。

さらに、ストレート部４Ｓにおける絶縁碍子２の肉厚Ｔが１．５ｍｍ以上とされているため、ストレート部４Ｓにおける絶縁碍子２の強度を十分に確保することができ、絶縁碍子２の割れ抑制をより確実に図ることができる。

また、１／４≦ｈ／Ｈを満たすように構成されているため、ストレート部４Ｓにおいて、プラズマの外周側に向けた膨張力を先端側に向けたプラズマの噴出力へと効果的に変換することができる。その結果、プラズマの噴出距離をより増大させることができ、着火性の更なる向上を図ることができる。

加えて、（Ｄ１−Ｄ２）／Ｌが１．４以下とされており、拡径部４Ｅの拡径率が過度に大きなものとならないように構成されている。従って、拡径部４Ｅにおいてプラズマが外周側に向けて過度に膨張してしまい、ひいては先端側に向けたプラズマの噴出力が低下してしまうという事態をより確実に防止することができる。その結果、着火性の一層の向上を図ることができる。

また、中心電極５及び接地電極２７間の最短距離Ｋが３．０ｍｍ以下とされているため、放電電圧を比較的低く抑えることができる。従って、放電電圧の増大に伴う放電異常（失火）やチャンネリングの進展をより確実に抑制することができる。

次いで、上記実施形態によって奏される作用効果を確認すべく、軸孔にストレート部と拡径部とを設けるとともに、キャビティ部の最小内径Ｄ_min（ストレート部の内径と等しい）と、距離Ｈ（キャビティ部の軸線に沿った長さ）とを種々変更した点火プラグのサンプルを作製し、各サンプルについて着火性評価試験を行った。着火性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、サンプルを所定のチャンバーに取付けた上で、チャンバー内の圧力を０．４ＭＰａとし、チャンバー内の雰囲気を標準ガス雰囲気（大気雰囲気）とした。次いで、所定のトリガー電源（負極性電圧を出力するＣＤＩ）によりサンプルに火花放電を生じさせた上で、所定の電源（電圧５５０Ｖ）とコンデンサ（静電容量０．６８μＦ）とを有する所定のプラズマ電源（投入エネルギー１００ｍＪ）によりプラズマを生成させ、火花放電から１００μｓ後に、キャビティ部から噴出したプラズマ（フレーム）のシュリーレン画像を得た。そして、得られたシュリーレン画像を所定の閾値で二値化して、高密度の部分のサンプル先端からの噴出長をフレーム噴出距離として測定した。図４に、当該試験の試験結果を示す。尚、フレーム噴出距離が大きいほど、着火性に優れることを意味し、十分な着火性を得るためには、少なくとも０．３ｍｍのフレーム噴出距離が必要である。

また、図４においては、最小内径Ｄ_minを０．５ｍｍとしたサンプルの試験結果を丸印で示し、最小内径Ｄ_minを１．０ｍｍとしたサンプルの試験結果を三角で示し、最小内径Ｄ_minを１．２ｍｍとしたサンプルの試験結果を正方形で示し、最小内径Ｄ_minを１．３ｍｍとしたサンプルの試験結果を菱形で示し、最小内径Ｄ_minを１．５ｍｍとしたサンプルの試験結果をバツ印で示す。尚、各サンプルともに、距離Ｈに対するストレート部の長さｈの比（ｈ／Ｈ）を０．５とし、ストレート部における絶縁碍子の肉厚Ｔを１．５ｍｍとし、拡径部の拡径率を１．０とした。

図４に示すように、距離Ｈを０．５ｍｍ以上とするとともに、最小内径Ｄ_minを１．２ｍｍ以下としたサンプルは、良好な着火性を実現できることが分かった。これは、距離Ｈを０．５ｍｍ以上としたことでプラズマが十分に生成されるとともに、最小内径Ｄ_minを１．２ｍｍ以下としたことでプラズマの外周側への膨張が抑制され、先端側に向けたプラズマの噴出力が十分に確保されたことによると考えられる。

上記試験の結果より、絶縁碍子の割れ防止を図るべく拡径部を設けた場合において、良好な着火性を実現するためには、距離Ｈを０．５ｍｍ以上とするとともに、キャビティ部の最小内径Ｄ_minを１．２ｍｍ以下とすることが好ましいといえる。

次に、軸孔にストレート部と拡径部とを設けるとともに、キャビティ部の最小内径Ｄ_minを１．２ｍｍ又は１．３ｍｍとし、距離Ｈを一定（１．０ｍｍ）とした上でストレート部の長さｈを変更することにより、ｈ／Ｈを種々変更した点火プラグのサンプルを作製し、各サンプルについて、絶縁体耐久試験と、上述の着火性評価試験とを行った。絶縁体耐久試験の概要は次の通りである。すなわち、最小内径Ｄ_min及び長さｈを同一としたサンプルを１０本ずつ用意し、各サンプルを所定のチャンバーに取付けた上で、チャンバー内の圧力を３．０ＭＰａの高圧力とし、チャンバー内の雰囲気を標準ガス雰囲気（大気雰囲気）とした。次いで、着火性評価試験と同様のトリガー電源及びプラズマ電源により、印加電圧の周波数を６０Ｈｚとして（すなわち、毎分３６００回の割合で）、１０時間に亘って各サンプルにおいてプラズマを生成させ続けた。そして、１０時間経過後にサンプルの絶縁碍子における割れの有無を確認し、１０本中における割れの発生した本数の割合（割れ率）を算出した。ここで、割れ率が５０％以上１００％未満となったサンプルは、耐久性にやや劣るとして「△」の評価を下し、割れ率が１００％となったサンプルは、耐久性に劣るとして「×」の評価を下した。一方で、１０本中全てのサンプルにおいて割れの発生が確認されなかったサンプルは、優れた耐久性を有するとして「○」の評価を下すこととした。

表１に、絶縁体耐久試験の試験結果を示し、図５に、着火性評価試験の試験結果を示す。尚、図５においては、最小内径Ｄ_minを１．２ｍｍとしたサンプルの試験結果を正方形で示し、最小内径Ｄ_minを１．３ｍｍとしたサンプルの試験結果を菱形で示す。また、各サンプルともに、ストレート部における絶縁碍子の肉厚Ｔを１．５ｍｍとし、拡径部の拡径率を１．０とした。

表１に示すように、最小内径Ｄ_minが小さいほど絶縁碍子に割れが生じやすいが、良好な着火性を確保すべく最小内径Ｄ_minを１．２ｍｍとしたサンプルであっても、ｈ／Ｈを０．８（４／５）以下とすることで、絶縁碍子に割れが生じることなく、優れた耐久性を実現できることが明らかとなった。これは、プラズマが膨張する際の圧力が大きく加わり得るストレート部を過度に長くすることなく構成したことで、プラズマ生成に伴い絶縁碍子の内周面に加わる力を低減できたためであると考えられる。

また、図５に示すように、最小内径Ｄ_minを１．２ｍｍとした上で、ｈ／Ｈを０．２５（１／４）以上としたサンプルは、フレーム噴出距離が０．４ｍｍ以上となり、一層優れた着火性を有することが分かった。これは、ストレート部の長さを十分に確保したことで、ストレート部において、プラズマの外周側に向けた膨張力を先端側に向けたプラズマの噴出力へと効果的に変換できたことによると考えられる。

上記両試験の試験結果より、着火性の更なる向上を図りつつ、絶縁碍子の割れをより確実に防止するためには、１／４≦ｈ／Ｈ≦４／５を満たすように構成することが好ましいといえる。

次いで、軸孔にストレート部と拡径部とを設けるとともに、拡径部の最後端の内径Ｄ２最小内径Ｄ_minと等しい）を０．５ｍｍ又は１．２ｍｍとし、拡径部の軸線に沿った長さＬを一定（０．５ｍｍ）とした上で、拡径部の最先端の内径Ｄ１（ｍｍ）を種々変更することにより、（Ｄ１−Ｄ２）／Ｌの値（拡径率）を種々変更した点火プラグのサンプルを作製し、各サンプルについて、上述の絶縁体耐久試験及び着火性評価試験及を行った。

表２に、絶縁体耐久試験の試験結果を示し、図６に、着火性評価試験の試験結果を示す。尚、図６においては、最小内径Ｄ_minを０．５ｍｍとしたサンプルの試験結果を丸印で示し、最小内径Ｄ_minを１．２ｍｍとしたサンプルの試験結果を正方形で示す。また、各サンプルともに、距離Ｈを１．０ｍｍとし、ストレート部における絶縁碍子の肉厚Ｔを１．５ｍｍとし、ｈ／Ｈを０．５とした。

表２に示すように、最小内径Ｄ_minが０．５ｍｍとされ、プラズマの膨張に伴う絶縁碍子の割れが極めて懸念されるサンプルであっても、拡径率を０．４以上とすることで、
絶縁碍子の割れを防止できることが分かった。これは、拡径率を０．４以上と十分に大きくしたことで、拡径部において、プラズマの外周側に向けた膨張力を効果的に先端側へと逃がすことができたことに起因すると考えられる。

また、図６に示すように、拡径率を１．４以下としたサンプルは、フレーム噴出距離が０．５ｍｍを超え、極めて優れた着火性を有することが分かった。これは、拡径部においてプラズマが外周側に向けて過度に膨張してしまうことが抑制されたためであると考えられる。

上記両試験の結果より、着火性の一層の向上を図りつつ、絶縁碍子の割れをより一層確実に防止するという観点から、拡径率を０．４以上１．４以下とすること、すなわち、０．４≦（Ｄ１−Ｄ２）／Ｌ≦１．４を満たすように構成することが好ましいといえる。

次に、軸孔にストレート部と拡径部とを設けるとともに、ストレート部における絶縁碍子の肉厚Ｔを種々変更した点火プラグのサンプルについて、上述の絶縁体耐久試験を行った。表３に、当該試験の試験結果を示す。尚、各サンプルともに、キャビティ部の最小内径Ｄ_minを１．２ｍｍとし、距離Ｈを１．０ｍｍとし、ｈ／Ｈを０．５とした。

表３に示すように、絶縁碍子の肉厚Ｔを１．５ｍｍ以上とすることで、絶縁碍子の割れを防止できることが確認された。

上記試験の結果より、絶縁碍子の割れ防止をより確実に図るべく、ストレート部における絶縁碍子の肉厚Ｔを１．５ｍｍ以上とすることが好ましいといえる。

次いで、中心電極の先端から接地電極までの軸線に沿った最短距離Ｋ（ｍｍ）を種々変更したサンプルについて、放電電圧測定試験を行った。放電電圧測定試験の概要は次の通りである。すなわち、サンプルを試験用のチャンバーに取付けた上で、チャンバー内の圧力を０．８ＭＰａとして標準ガス雰囲気（大気雰囲気）で火花放電に必要な放電電圧を測定した。尚、放電電圧が過度に大きいと、一般に使用される電源の電源能力を超えてしまい、異常放電（失火）が生じてしまうおそれがある。そのため、放電電圧は２５ｋＶ以下であることが好ましいといえる。図７に、当該試験の試験結果を示す。尚、当該試験においては、軸孔に拡径部を設けることなく、ストレート部のみを設けた（つまり、軸線方向に沿った全域においてキャビティ部の内径を一定とした）。

図７に示すように、最短距離Ｋ（ｍｍ）を３．０ｍｍ以下とすることで、放電電圧を２５ｋＶ以下とできることが確認された。

上記試験の結果より、放電電圧を抑制し、放電異常等の発生をより確実に防止するためには、最短距離Ｋを３．０ｍｍ以下とすることが好ましいといえる。

尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。

（ａ）上記実施形態では、軸孔４の最先端部に拡径部４Ｅが設けられているが、拡径部４Ｅは、軸孔４のうち、中心電極５の先端面よりも軸線ＣＬ１方向先端側の部位に形成されていればよい。従って、例えば、図８に示すように、キャビティ部２８の略中央に拡径部３４Ｅを設けることとしてもよい。また、軸孔４に複数の拡径部を設けることとしてもよい。従って、例えば、図９に示すように、キャビティ部２８の略中央に拡径部３５Ｅを設けるとともに、軸孔４の最先端部に拡径部３６Ｅを設けることとしてもよい。

（ｂ）上記実施形態では、拡径部４Ｅはテーパ状をなし、軸線ＣＬ１を含む断面において、その外形線が直線状とされているが、図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、拡径部３７Ｅ，３８Ｅ，３９Ｅの外形線が湾曲状や屈曲状をなすように構成してもよい。

（ｃ）上記実施形態では、軸孔４にストレート部４Ｓが設けられているが、ストレート部４Ｓを設けることなく構成してもよい。

（ｄ）上記実施形態では、軸孔４のうち、中心電極５の先端面よりも軸線ＣＬ１方向先端側で、かつ、拡径部４Ｅよりも軸線ＣＬ１方向後端側の部位は、軸線ＣＬ１方向に沿って略同一の内径を有するストレート部４Ｓとされている。これに対して、図１１に示すように、軸孔４のうち、中心電極５の先端面よりも軸線ＣＬ１方向先端側で、かつ、拡径部４Ｅよりも軸線ＣＬ１方向後端側の部位に、軸線ＣＬ１方向先端側に向けて内径が徐々に縮径する縮径部４Ｒを設けることとしてもよい。この場合には、縮径部４Ｒの存在により、プラズマがその生成中にキャビティ部２８の開口側へと漏れ出しにくくなり、一層高温のプラズマを生成することができる。従って、キャビティ部２８の開口から噴出するプラズマをより高温とすることができ、着火性をより一層向上させることができる。

（ｅ）上記実施形態では、絶縁碍子２の先端面に対して接地電極２７が接触するように構成されているが、図１２に示すように、絶縁碍子２の先端面と接地電極２７とを接触させることなく、両者の間の若干の隙間を設けることとしてもよい。但し、接地電極２７の耐熱性を鑑みれば、接地電極２７を絶縁碍子２に接触させることが好ましい。

（ｆ）上記実施形態では、貫通孔２７Ｈは軸線ＣＬ１に沿って略同一の内径を有するように構成されているが、接地電極２７における貫通孔２７Ｈの形状は特に限定されるものではない。従って、例えば、図１３に示すように、貫通孔３７Ｈの内径が軸線ＣＬ１方向先端側に向けて徐々に拡径するように接地電極３７を構成してもよい。また、上記実施形態では、貫通孔２７Ｈの内径が軸孔４の先端の内径と等しくされているが、図１４に示すように、貫通孔３８Ｈの内径を軸孔４の先端の内径よりも大きくなるように接地電極３８を構成してもよい。

（ｇ）上記実施形態では、中心電極５の先端部に電極チップ５Ｃが設けられているが、電極チップ５Ｃを設けることなく、中心電極５を構成することとしてもよい。

（ｈ）上記実施形態では、接地電極２７がＷやＩｒ等により構成されているが、接地電極２７を構成する材料はこれに限定されるものではなく、その他の材料により接地電極２７を構成してもよい。

（ｉ）上記実施形態では、工具係合部１９は断面六角形状とされているが、工具係合部１９の形状に関しては、このような形状に限定されるものではない。従って、例えば、工具係合部１９をＢｉ−ＨＥＸ（変形１２角）形状〔ＩＳＯ２２９７７：２００５（Ｅ）〕等としてもよい。

１…点火プラグ（プラズマジェット点火プラグ）、２…絶縁碍子（絶縁体）、３…主体金具、４…軸孔、４Ｅ…拡径部、４Ｓ…ストレート部、４Ｒ…縮径部、５…中心電極、２７…接地電極、２８…キャビティ部、ＣＬ１…軸線。

Claims (8)

1. 軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
   自身の先端面が前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向後端側に位置するようにして前記軸孔に挿設される中心電極と、
   前記絶縁体の外周に配置される主体金具と、
   前記主体金具の先端部に固定され、前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向先端側に配置される接地電極とを備え、
   前記軸孔の内周面及び前記中心電極により形成されるキャビティ部を有するプラズマジェット点火プラグであって、
   前記軸孔のうち前記中心電極の先端面よりも前記軸線方向先端側の部位には、前記軸線方向先端側に向けて内径が徐々に拡径する拡径部が設けられ、
   前記キャビティ部の最小内径が１．２ｍｍ以下であり、
   前記中心電極の先端面から前記キャビティ部の開口縁までの前記軸線に沿った距離をＨ（ｍｍ）としたとき、Ｈ≧０．５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. 前記拡径部の最先端の内径をＤ１（ｍｍ）とし、前記拡径部の最後端の内径をＤ２（ｍｍ）とし、前記拡径部の前記軸線に沿った長さをＬ（ｍｍ）としたとき、
   ０．４≦（Ｄ１−Ｄ２）／Ｌ
   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. 前記軸孔には、前記中心電極の先端面から前記軸線方向先端側に向けて延び、略同一の内径を有するストレート部が設けられ、
   前記ストレート部の前記軸線に沿った長さをｈ（ｍｍ）としたとき、
   １／４≦ｈ／Ｈ≦４／５
   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. 前記ストレート部における前記絶縁体の肉厚が１．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項３に記載のプラズマジェット点火プラグ。
5. 前記拡径部は、前記軸孔の最先端部に設けられており、
   前記拡径部の最先端の内径をＤ１（ｍｍ）とし、前記拡径部の最後端の内径をＤ２（ｍｍ）とし、前記拡径部の前記軸線に沿った長さをＬ（ｍｍ）としたとき、
   （Ｄ１−Ｄ２）／Ｌ≦１．４
   を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプラズマジェット点火プラグ。
6. 前記中心電極の先端から前記接地電極までの前記軸線に沿った最短距離をＫ（ｍｍ）としたとき、Ｋ≦３．０を満たすことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプラズマジェット点火プラグ。
7. 前記軸孔のうち、前記中心電極の先端面よりも前記軸線方向先端側で、かつ、前記拡径部よりも前記軸線方向後端側の部位には、前記軸線方向先端側に向けて内径が徐々に縮径する縮径部が設けられることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のプラズマジェット点火プラグ。
8. 前記接地電極は、前記キャビティ部と外部とを連通する貫通孔を備え、
   前記貫通孔は、前記軸線に沿って同一の内径を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のプラズマジェット点火プラグ。

Images