JP2007287665A - 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

Abstract

【課題】キャビティの大きさを規定することで、供給されるエネルギーが比較的低くても、確実に、フレーム状のプラズマを形成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。
【解決手段】プラズマジェット点火プラグ１００は、軸孔１２の先端小径部６１と、軸孔１２内に保持される中心電極２０の先端面２６とで包囲されたキャビティ６０内で形成されるプラズマを開口部１４から外方へ噴出する。このとき、ｄ≦Ｄ≦３ｄである場合において、０．５≦ｄ≦１．５、Ｌ１≦１．５、２ｄ≦Ｌ２≦３．５、およびＬ２＋｛（Ｄ−ｄ）／２｝≦３．５（ｍｍ）を同時に満たす。ただし、接地電極３０の開口部３１の内径をＤ、キャビティ６０の内径をｄ、接地電極３０の厚みをＬ１、軸線Ｏ方向における中心電極２０の先端面２６と絶縁碍子１０の先端面１６との間の長さをＬ２とする。
【選択図】図２

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（ギャップ）の周囲をセラミックス等の絶縁材（絶縁体）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。そして、中心電極と接地電極との間に高電圧を印加して火花放電を行い、このときに生じた絶縁破壊によって比較的低電圧で電流を流すことができるようになるため、さらにエネルギーを供給することで放電状態を遷移させ、これによりキャビティ内で形成されるプラズマを開口部（オリフィス）から噴出させて、混合気への着火を行うものである（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ひとつとして、例えば火柱状に、開口部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。
特開平２−７２５７７号公報

しかしながら、特許文献１のようにキャビティの容量が比較的大きなプラズマジェット点火プラグにおいてフレーム状のプラズマを噴出させるには、比較的高いエネルギーを供給する必要があった。そして高エネルギーの供給を行った場合、中心電極や接地電極の消耗が激しくなり、プラズマジェット点火プラグの耐久性が低下する虞があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、キャビティの大きさを規定することで、供給されるエネルギーが比較的低くても、確実に、フレーム状のプラズマを形成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当該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先端面とを壁面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、前記絶縁碍子の先端面に設けられ、前記キャビティと外気とを連通する開口部を有する接地電極とを備え、前記接地電極の前記開口部の内径をＤ、前記接地電極の厚みをＬ１、前記キャビティの内径をｄ、前記軸線方向における前記中心電極の先端面と前記絶縁碍子の先端面との間の長さをＬ２としたとき、ｄ≦Ｄ≦３ｄである場合において、０．５≦ｄ≦１．５（ｍｍ）、Ｌ１≦１．５（ｍｍ）、２ｄ≦Ｌ２≦３．５（ｍｍ）、および、Ｌ２＋｛（Ｄ−ｄ）／２｝≦３．５（ｍｍ）を同時に満たすことを特徴とする。

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、０．８≦Ｌ１（ｍｍ）を満たすことを特徴とする。

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、前記キャビティの内径ｄは、前記中心電極の外径よりも小さいことを特徴とする。

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。

また、請求項５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４に記載の発明の構成に加え、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１６０ｍＪ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では、Ｄ、ｄ、Ｌ１、およびＬ２の各値に規定を設けることで、供給されるエネルギーが比較的低くても、確実に、フレーム状のプラズマを形成することができるので、混合気への着火性を高めることができる。以下、Ｄ、ｄ、Ｌ１、およびＬ２の各値に設けた規定について説明する。

まず、Ｄ＜ｄである場合、キャビティ内で形成されたプラズマは、外方に向けて噴出されるよりもキャビティ内で広がってしまい、噴出の際に有効なフレーム状とはならない虞がある。このため、Ｄ≧ｄであることが好ましい。

そしてＤ≦３ｄである場合、Ｄはｄと同一もしくはｄに近い大きさであるため、開口部の内周はキャビティの内周に連続した形態となり、キャビティから噴出されるプラズマの導路を構成するので、プラズマの形状に影響を及ぼす場合がある。従って、Ｄ≦３ｄの場合、以下に示すＤ、ｄ、Ｌ１、およびＬ２の各値についての規定を同時に満たすことが望ましい。

すなわち、０．５≦ｄ≦１．５（ｍｍ）を満たすことが好ましい。ｄが０．５ｍｍ未満であると、プラズマジェット点火プラグを長期間に亘って使用した場合に、カーボン等の堆積により開口部に目詰まりが発生する虞がある。また、ｄが１．５ｍｍより大きいと、形成されたプラズマがキャビティ内で広がってしまい、噴出されたプラズマが有効なフレーム状とはならない虞がある。この場合、プラズマをフレーム状に噴出させるにはより大きなエネルギーを供給する必要があるため、消費電力の増加や電極の消耗を早めてしまう虞がある。

さらに、Ｌ１≦１．５（ｍｍ）を満たすことが好ましい。Ｌ１が１．５ｍｍより大きくなると、接地電極の体積が大きくなるため、プラズマにより着火した火炎核に対する消炎作用が大きくなってしまう虞がある。

さらに、Ｌ２≦３．５（ｍｍ）を満たすことが好ましい。Ｄ＝ｄのときに火花放電間隙の大きさとなるＬ２が３．５ｍｍより大きいと、火花放電間隙において火花放電が生じなくなる虞がある。なお、ｄ＜Ｄ≦３ｄである場合には絶縁碍子の先端面の一部も火花放電間隙を構成することとなるが、この場合においても火花放電間隙の大きさが３．５ｍｍ以下となるようにするとよい。具体的には、Ｌ２＋｛（Ｄ−ｄ）／２｝≦３．５（ｍｍ）とすればよい。

さらに、Ｌ２≧２ｄを満たすことが好ましい。キャビティ内で形成されるプラズマが有効なフレーム状となって噴出されるには、キャビティの形状が、キャビティ内で軸線方向以外の方向へのプラズマの広がりを制限された形状であることが望ましく、Ｌ２≧２ｄであることが好ましい。

そして、請求項２に係る発明のように、さらにＬ１≧０．８（ｍｍ）と規定すれば、接地電極の耐久性を維持することができ好ましい。

また、請求項３に係る発明のように、軸孔の内径ｄが中心電極の外径よりも小さければ、火花放電により中心電極が消耗しても、中心電極の先端面から凹部状に消耗する形態となるため、その凹部の側面もまた中心電極として機能させることができる。このため、キャビティの内周面に中心電極が連続した状態を維持することができ、中心電極が消耗しても火花放電間隙の大きさを維持することができる。

そして、請求項４に係る発明の点火システムのように、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、５０ｍＪ以上２００ｍＪ以下の出力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する。そこで、プラズマを成長させ、十分に、有効なフレーム状のプラズマを噴出させるには、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。そしてプラズマの形状がフレーム形状となれば、混合気との接触面積が大きくなるので、着火性を向上することができる。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、有効なフレーム状のプラズマを噴出できて着火性を向上することができると共に、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。

特に、請求項５に係る発明のように、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１６０ｍＪの電源を使用することが望ましい。

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が最も大きな鍔部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より外径が小さな先端側胴部１７と、その先端側胴部１７よりも先端側で先端側胴部１７よりもさら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の内周の部分は、先端側胴部１７、鍔部１９および後端側胴部１８の内周の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。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放電空間内を通過することとなる。この放電空間はキャビティ６０と称され、火花放電の際にこのキャビティ６０でプラズマを形成し、開口部１４から噴出できるように設けられている。

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、工具係合部５１より後端側には加締め部５３が設けられている。工具係合部５１から加締め部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、さらに両リング部材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、加締め部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、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。主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密はパッキン８０によって保持され、燃焼ガスの流出は防止される。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。

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は中央に開口部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。この接地電極３０の開口部３１を介し、キャビティ６０の内部と外気とが連通されている。

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１６０ｍＪ）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キャビティ６０や接地電極３０の各部の大きさが規定されており、上記出力の電源から供給されるエネルギー量で十分に、キャビティ６０内で形成されるプラズマがフレーム状に噴出される。以下、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１６０ｍＪ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、後述する各条件をキャビティ６０や接地電極３０の各部が満たすことによって火柱のような形状、いわゆるフレーム状となり、絶縁碍子１０の先端部１１の開口部１４から外方、すなわち燃焼室内に向けて噴出される。そして燃焼室内の混合気に着火し、形成された火炎核が成長して燃焼が行われる。

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、１６０ｍＪ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１６０ｍＪ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３および実施例４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、有効なフレーム状となる。そしてプラズマの形状がフレーム形状となれば、混合気との接触面積が大きくなるので、着火性を向上することができる。実施例３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４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トリガー放電にコンデンサからのエネルギーを重畳する方式のものでもよく、あるいは電力供給装置２００を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１６０ｍＪのエネルギーを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、キャビティ６０内で形成されるプラズマが、確実に、フレーム状となって開口部１４から噴出されるように、後述する評価試験の結果に基づいて、各部の大きさを以下のように規定している。なお、図２に示すように、接地電極３０の開口部３１の内径をＤ、軸孔１２の先端小径部６１の内径、すなわちキャビティ６０の内径をｄ、中心電極２０の外径をＥ、接地電極３０の厚みをＬ１、キャビティ６０の深さ、すなわち軸線Ｏ方向における中心電極２０の先端面２６と絶縁碍子１０の先端面１６との間の長さをＬ２とする（単位はｍｍ）。

すなわち、ｄ≦Ｄ≦３ｄである場合、０．５≦ｄ≦１．５（ｍｍ）、Ｌ１≦１．５（ｍｍ）、２ｄ≦Ｌ２≦３．５（ｍｍ）、およびＬ２＋｛（Ｄ−ｄ）／２｝≦３．５（ｍｍ）を同時に満たすこと、さらにＬ１≧０．８（ｍｍ）であることとしている。そして、ｄ＜Ｅであることが望ましいとしている。

まず、Ｄ≧ｄであることが好ましい。Ｄ＜ｄである場合、キャビティ６０内で形成されたプラズマが開口部１４から外方に向けて噴出されるよりもキャビティ６０内で広がってしまうため、噴出されたプラズマが有効なフレーム状とはならない虞がある。

次に、Ｄ≦３ｄである場合、接地電極３０の開口部３１の内径Ｄがキャビティ６０の内径ｄと同一もしくは近い大きさであるため、開口部３１の内周がキャビティ６０の内周より連続した形態となる。このため開口部３１の内周は、開口部１４より噴出されるプラズマの導路を構成し、プラズマの形状に影響を及ぼす場合がある。従って、Ｄ≦３ｄの場合、以下の各条件をもってキャビティ６０や接地電極３０の各部の大きさを規定することが好ましい。

すなわち、キャビティ６０の内径ｄの大きさは、０．５≦ｄ≦１．５（ｍｍ）を満たすことが好ましい。ｄが０．５ｍｍ未満であると、プラズマジェット点火プラグ１００を長期間に亘って使用した場合に、カーボン等の堆積により開口部１４に目詰まりが発生する虞がある。また、ｄが１．５ｍｍより大きいと、形成されたプラズマがキャビティ６０内で広がってしまい、噴出されたプラズマが有効なフレーム状とはならない虞がある。この場合、プラズマをフレーム状に噴出させるにはより大きなエネルギーを供給する必要があるため、消費電力の増加や電極の消耗を早めてしまう虞がある。

さらに、接地電極３０の厚みＬ１は、０．８≦Ｌ１≦１．５（ｍｍ）を満たすことが好ましい。Ｌ１が０．８ｍｍ未満であると、耐久性の低下を招く虞がある。また、Ｌ１が１．５ｍｍより大きくなると、接地電極３０の体積が大きくなるため、プラズマにより着火した火炎核に対する消炎作用が大きくなってしまう虞がある。

さらに、キャビティ６０の深さ（長さ）Ｌ２は、Ｌ２≦３．５（ｍｍ）を満たすことが好ましい。本実施の形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、接地電極３０の開口部３１の内径Ｄがキャビティ６０の内径ｄと同じ大きさ（Ｄ＝ｄ）であるので、中心電極２０側から見た接地電極３０はキャビティ６０内に突き出さず内周面に連続する形状となる。このため、中心電極２０と接地電極３０との間で行われる火花放電は、キャビティ６０の内周面に沿って火花が走る、いわゆる沿面放電の形態で行われる。火花放電間隙に一定の電圧を印加した場合、沿面放電では気中放電よりも大きい間隙で放電を生じさせることがでる。なお、本実施の形態の点火装置２００では、火花放電間隙、すなわちＬ２が３．５ｍｍ以下であれば、火花放電間隙にて沿面放電を生じさせることができる。

もっとも、ｄ＜Ｄ≦３ｄである場合、絶縁碍子１０の先端面１６の一部が露出され、火花放電間隙の一部を構成することとなる。この一例としてＤ＝３ｄであるプラズマジェット点火プラグ３００を図４に示す。この場合、Ｌ２に、先端面１６の露出された部分の距離（具体的には（Ｄ−ｄ）／２で示される長さ）を加えた長さが３．５ｍｍ以下となればよい。

また、キャビティ６０の深さ（長さ）Ｌ２は、Ｌ２≧２ｄであることが望ましい。キャビティ６０内で形成されるプラズマが有効なフレーム状となって開口部１４から噴出されるには、キャビティ６０の形状が、キャビティ６０内で軸線Ｏ方向以外の方向へのプラズマの広がりを制限された形状であることが望ましく、後述する評価試験の結果からＬ２≧２ｄであることが好ましい。

ところで、中心電極２０と接地電極３０との間で火花放電が行われるため、プラズマジェット点火プラグ１００を長期間使用すれば、火花放電により電極が消耗する。キャビティ６０の内径ｄが中心電極２０の外径Ｅ以上（ｄ≧Ｅ）であった場合、中心電極２０の先端部２１が消耗し、キャビティ６０の深さ（長さ）Ｌ２がより深くなると、軸孔１２の電極収容部１５における内周面が露出していくこととなる。つまり、中心電極２０の消耗とともに火花放電間隙の大きさが大きくなり、火花放電が生じなくなる虞がある。しかし、ｄ＜Ｅであれば、火花放電により中心電極２０が消耗しても、中心電極２０の先端面２６から凹部状に消耗する形態となるため、その凹部の側面もまた中心電極２０として機能する。つまり、キャビティ６０の内周面に中心電極２０が連続した状態が維持されるため、火花放電間隙の大きさを維持することができる。

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、上記のようにキャビティ６０や接地電極３０の各部の大きさを規定したことによって、キャビティ６０から噴出されるプラズマが確実にフレーム状となることを確認するため評価試験を行った。

［実施例１］
まず、キャビティ６０の内径ｄより接地電極３０の開口部３１の内径Ｄが小さい場合に噴出されるプラズマの形状について確認した。この評価試験を行うにあたり、内径ｄが１．５ｍｍで深さ（長さ）Ｌ２が１．７ｍｍになるようにキャビティ６０を形成し、厚みＬ１が０．８ｍｍで開口部３１の内径Ｄが０．８ｍｍの接地電極３０を接合したサンプル（すなわちＬ１＋Ｌ２が２．５ｍｍでｄ＞Ｄであるサンプル）と、その比較例として、キャビティ６０の内径ｄを０．８ｍｍ（すなわちｄ＝Ｄ）としたサンプルを作製した。更に、内径ｄが１．５ｍｍで深さ（長さ）Ｌ２が３．５ｍｍになるようにキャビティ６０を形成し、厚みＬ１が１．５ｍｍで開口部３１の内径Ｄが０．８ｍｍの接地電極３０を接合したサンプル（すなわちＬ１＋Ｌ２が５．０ｍｍでｄ＞Ｄであるサンプル）と、その比較例として、キャビティ６０の内径ｄを０．８ｍｍ（すなわちｄ＝Ｄ）としたサンプルを作製した。

そして、プラズマ形成時に火花放電間隙に供給されるエネルギー量が２００ｍＪとなる静電容量をもったコンデンサ２３１を有する点火装置２００を用い、各サンプルそれぞれの火花放電を行った。このとき、噴出されたプラズマの大きさを測定し、２ｍｍ以上となったサンプルは、プラズマの形状がフレーム状になったとして「○」と評価し、２ｍｍ未満のものはフレーム状にならなかったとして「×」と評価した。

その結果、接地電極３０の開口部３１の内径Ｄがキャビティ６０の内径ｄよりも小さいサンプルでは（ｄ＞Ｄ）、いずれも、噴出されたプラズマがフレーム状とはならなかった。一方、接地電極３０の開口部３１の内径Ｄがキャビティ６０の内径ｄと同じサンプルでは（ｄ＝Ｄ）、いずれも噴出されたプラズマの大きさが２ｍｍ以上となり、フレーム状となったことが確認された。表１に評価試験の結果を示す。

この評価試験の結果より、ｄ＞Ｄであると、キャビティ６０内で形成されたプラズマが、キャビティ６０内で、広がりに制限を受けにくく、プラズマの噴出方向とは異なる方向に広がってしまい、開口部１４から噴出されても有効なフレーム状とはならないことが確認できた。

［実施例２］
次に、プラズマ形成のため供給されるエネルギー量が１６０ｍＪであっても、噴出されるプラズマがフレーム状となれば着火性が向上することを確認するため評価試験を行った。この評価試験では、ｄ＝０．８，Ｌ１＋Ｌ２＝２．５（ｍｍ）としたサンプル（サンプル１番）、ｄ＝１．２，Ｌ１＋Ｌ２＝２．０（ｍｍ）としたサンプル（サンプル２番）、およびｄ＝２．０，Ｌ１＋Ｌ２＝１．０（ｍｍ）としたサンプル（サンプル３番）を作製し、それぞれについて着火限界空燃比を測定した。なお、いずれのサンプルも、ｄ＝Ｄとなるように接地電極３０を形成した。着火限界空燃比の測定は、各サンプルを６気筒２０００ｃｃのエンジンに組み付け、このエンジンを２０００ｒｐｍで駆動させ、１分あたりの失火の発生頻度が０となる燃料と空気の混合比を確認することによって行った。

その結果、サンプル１番，２番ではプラズマがフレーム状となり、着火限界空燃比は２４．５となった。また、サンプル３番ではプラズマがフレーム状とはならず、着火限界空燃比は２３．０となった。表２に評価試験の結果を示す。

この評価試験の結果より、供給されるエネルギー量が１６０ｍＪであっても、プラズマの形状がフレーム状となれば十分に着火性を向上させることができることが確認できた。

［実施例３］
次に、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、開口部の内径Ｄを１．０ｍｍ、厚みＬ１を１．０ｍｍとした接地電極と、内径（開口端の内径）ｄを０．５ｍｍ、深さＬ２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、以下の評価試験は、本実施の形態の電力供給装置２００として図示しないＣＤＩ式の電源を用いて行ったものだが、点火方式については評価試験の結果に影響を与えるものではなく、例えば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電源を用いても同様の結果を得ることが可能なものである。

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５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５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。つまり、噴出されるプラズマが十分に有効なフレーム形状を形成したといえる。

［実施例４］
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入れた。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６のグラフに示す。

図６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。

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、火花放電回路部２１０は、いわゆる公知の容量放電式（ＣＤＩ）のものを用いたが、例えば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を用いてもよい。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。

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。 点火装置２００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の開口部３１の内径Ｄがキャビティ６０の内径ｄの３倍の大きさである場合の一例として示す、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。

符号の説明

１０ 絶縁碍子
１２ 軸孔
２０ 中心電極
２５ 電極チップ
２６ 先端面
３０ 接地電極
３１ 開口部
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
２３３ 高電圧発生回路
２５０ 点火システム

Claims (5)

1. 中心電極と、
   軸線方向に延びる軸孔を有し、前記中心電極の先端面を前記軸孔内に収容すると共に当該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先端面とを壁面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、前記絶縁碍子の先端面に設けられ、前記キャビティと外気とを連通する開口部を有する接地電極と
   を備え、
   前記接地電極の前記開口部の内径をＤ、前記接地電極の厚みをＬ１、前記キャビティの内径をｄ、前記軸線方向における前記中心電極の先端面と前記絶縁碍子の先端面との間の長さをＬ２としたとき、
   ｄ≦Ｄ≦３ｄである場合において、
   ０．５≦ｄ≦１．５（ｍｍ）、
   Ｌ１≦１．５（ｍｍ）、
   ２ｄ≦Ｌ２≦３．５（ｍｍ）、および、
   Ｌ２＋｛（Ｄ−ｄ）／２｝≦３．５（ｍｍ）
   を同時に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. ０．８≦Ｌ１（ｍｍ）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. 前記キャビティの内径ｄは、前記中心電極の外径よりも小さい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。
5. 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１６０ｍＪの電源に接続して使用す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の点火システム。

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