JP2011003482A

JP2011003482A - プラズマ点火装置

Info

Publication number: JP2011003482A
Application number: JP2009147246A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Fujimoto; 秀一藤本; Yoshitaka Sato; 美孝佐藤; Noriyoshi Tsubota; 憲佳坪田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2011-01-06
Anticipated expiration: 2029-06-22
Also published as: JP5434296B2

Abstract

【課題】燃焼室内に噴射された燃料が液滴状となって付着しても、失火に至る虞のない信頼性の高いプラズマ点火装置を提供する。
【解決手段】
排出された液体燃料を一時的に貯留する液状物貯留手段として、絶縁体１２とハウジング１３との間に外部との気密が保持された空隙部１６０を設けると共に、放電空間１４０内に侵入した液体燃料Ｄ_ＦＬを放電空間１４０から排出する液状物排出手段として、空隙部１６０と放電空間１４０とを連通する連通路１６１を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼機関の点火に用いられるプラズマ点火装置の信頼性向上に関するものである。

近年、自動車等の燃焼機関においては、燃焼排気中に含まれる、窒素酸化物、二酸化炭素等の環境負荷物質の更なる低減を図るため、更なる燃費の向上、希薄燃焼化が望まれている。
機関の燃焼効率の向上と環境負荷の低減とを同時に実現可能な機関として、機関燃焼室内に高温高圧のプラズマ状態にした気体を噴射して、従来の火花放電による点火プラグでは火炎伝播できないような希薄な混合気を効率的に燃焼させる方法が注目されている。

このようなプラズマ点火装置として、特許文献１には、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先端側に収容すると共に、前記中心電極を保持する絶縁碍子と、当該絶縁碍子の先端部において、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、前記絶縁碍子の前記軸線方向に垂直な径方向周囲を取り囲んで保持する主体金具と、前記絶縁碍子の前記先端部よりも前記軸線方向先端側に配置されると共に、前記絶縁碍子の前記先端部と環状に接触し、前記軸線方向から見たときに前記キャビティの開口部が自身の内側にある接触部と、前記キャビティの内部を外気と連通させる連通部とを有する接地電極とを備え、前記接地電極は、前記軸線方向には前記主体金具と非接触である一方、前記径方向には前記主体金具と接触すると共に、自身の外縁部が前記主体金具と接合されて前記主体金具と電気的に接続されていることを特徴とするプラズマジェット点火プラグが開示されている。
特許文献１のプラズマジェット点火プラグでは、接地電極の接触部が絶縁碍子の先端部に接触した状態で主体金具に接合されており、接地電極と絶縁碍子の先端部との間や絶縁碍子と主体金具との間に生じ得る間隙を塞がれた状態とすることによって、エネルギの漏出を防止して着火性の低下の抑制を図っている。

ところが、特許文献１にあるような従来のプラズマ点火装置をガソリン直噴エンジン等の燃料噴霧が直接燃焼室内に噴射され、点火プラグの先端に燃料の噴霧が付着しやすい燃焼機関に適用した場合、以下のような問題が発生する虞があることが判明した。
即ち、低温始動時や、初爆直後等のエンジン全体が冷えた状態では、燃料室内に噴射された霧状の燃料又は混合気の燃焼爆発により発生した水蒸気等が上記点火プラグの接地電極等に触れて冷却・凝縮され液状物となることがある。
このような液状物が、内燃機関の圧縮工程時に燃焼室内の気体と共に上記燃焼室に向かって開口する上記接地電極の開口部を含む上記キャビティ内に侵入すると、上記液状物が油滴等の絶縁性のものである場合には、上記中心電極と上記接地電極との間の絶縁耐圧が上昇して要求電圧が高くなったり、又、上記液状物が水滴等の導電性のものである場合には、上記接地電極と上記中心電極との間の絶縁が該液状物を介して短絡されたりして、中心電極と接地電極との間で放電が起こり難くなり失火に至る虞があることが判明した。

そこで、本願発明はかかる実情に鑑み、燃焼室内に噴射された燃料や燃焼室内に存在する水蒸気等が冷却、凝縮され液状となった液状物が放電空間内に侵入しても、失火に至る虞のない信頼性の高いプラズマ点火装置を提供することを目的とするものである。

第１の発明では、略長軸状に形成した中心電極と、該中心電極を覆いつつ上記中心電極の下端面よりも下方に向かって伸びる略筒状に形成した絶縁体と、該絶縁体を覆う略筒状に形成したハウジングと、該ハウジングに延設して略環状に形成された接地電極とによって構成したプラズマ点火プラグと、該プラズマ点火プラグに高エネルギを供給する高エネルギ電源とを具備し、上記中心電極と上記接地電極との間に区画された放電空間内に高エネルギを与えて、上記放電空間内の気体を高温・高圧のプラズマ状態として機関燃焼室内に噴射して燃焼機関の点火を行うプラズマ点火装置において、上記燃焼室に向かって開口する上記接地電極の開口部の内側に区画された開口空間及び上記放電空間内に侵入した液状物を上記放電空間から排出する液状物排出手段と、排出された液状物を一時的に貯留する液状物貯留手段とを具備する（請求項１）。

第２の発明では、上記液状物貯留手段として、上記絶縁体と上記ハウジングとの間、又は、上記絶縁体と上記中心電極との間の、少なくとも一方の位置に外部との気密が保持された空隙部を設けると共に、上記液状物排出手段として、上記空隙部と上記放電空間とを連通する連通路を設ける（請求項２）。

第３の発明では、上記絶縁体の下端面と上記接地電極との間に密接して略環状に形成した接地電極放電部を介装すると共に、上記連通路は、上記絶縁体と上記接地電極放電部との境界における上記絶縁体表面、上記絶縁体と上記接地電極放電部との境界における上記接地電極放電部表面、上記接地電極放電部内部、上記接地電極放電部と上記接地電極との境界における上記接地電極放電部表面、上記接地電極放電部と上記接地電極との境界における上記接地電極表面の少なくともいずれかの位置に設ける（請求項３）。

第４の発明では、上記連通路は、一つ当たりの断面積を０．１ｍｍ^２以上に形成する（請求項４）。

第５の発明では、上記空隙部の容積は、上記放電空間と上記開口空間とを合わせた空間の容積の等倍以上に形成する（請求項５）。

第１の発明によれば、低温始動時等において、燃焼室内に噴射された霧状の燃料や爆発により発生した水蒸気等が冷却され液状化された物質が上記燃焼室に向かって開口する上記接地電極の開口部から上記プラズマ点火プラグ内に区画された上記放電空間内侵入しても、上記放電空間及び上記開口空間内に侵入した液状物が上記液状物排出手段によって排出され上記液状物貯留手段に一時的に貯留されるので、上記中心電極と上記接地電極との間に液体燃料が付着することによって、上記放電空間の絶縁を破壊する要求電圧が上昇したり上記中心電極と上記接地電極との間で短絡したりする虞がない。
したがって、上記高エネルギ電源から高電圧が印加されたときに、安定した電圧で上記中心電極と上記接地電極との間で放電が起こり、これをトリガとして上記放電空間内に大電流が放出され、上記放電空間内の気体が高温・高圧のプラズマ状態となって上記燃焼室内に噴射され、安定した着火性を示すプラズマ点火装置が実現できる。

第２の発明によれば、上記開口空間及び上記放電空間内に液体燃料が侵入しても、上記燃焼機関の圧縮行程において、上記燃焼室内の圧力が急上昇すると液化燃料又は凝縮水等の液状物が放電経路に浸入し易くなり、該液状物によって放電空間が塞がれた状態であると、放電経路の形成が困難となる虞がある。
しかし、本発明のように上記連通路を設けることにより上記液状物が上記空隙部に吸い込まれ、上記中心電極と上記接地電極との間の放電経路が確保され、安定した着火性を示すプラズマ点火装置が実現できることが、本発明者等の鋭意試験により判明した。
また、本発明者等の鋭意試験によって、上記空隙部は、上記中心電極と上記絶縁体との間に形成した場合と上記絶縁体と上記接地電極との間に形成した場合とのいずれにおいても、上記放電空間内に進入した上記液状物を上記空隙内に排出して放電経路を確保して安定した点火を実現する本発明の効果が発揮できることが判明した。

第３の発明のように、上記連通路は、上記絶縁体と上記接地電極放電部との境界における上記絶縁体表面、上記絶縁体と上記接地電極放電部との境界における上記接地電極放電部表面、上記接地電極放電部内部、上記接地電極放電部と上記接地電極との境界における上記接地電極放電部表面、上記接地電極放電部と上記接地電極との境界における上記接地電極表面のいずれの位置に形成しても、上記放電空間内に侵入した上記液状物を上記連通路から上記空隙部に排出され、上記中心電極と上記接地電極放電部との間に放電経路を確保する本発明の効果が得られる。

第４の発明の範囲で上記連通路を形成することにより、上記燃焼室内の圧力が上昇したときに、上記液状物が上記放電空間内に侵入しても、上記液状物を上記空隙部に速やかに排出できることが、本発明者等の鋭意試験により判明した。
なお、上記連通路１つ当たりの断面積が０．１ｍｍ^２より小さい場合には、管路抵抗が大きくなり、上記空隙部内に液状物が排出されにくくなると推察される。

本発明者等の鋭意試験によって、第５の発明の範囲で、上記空隙部を形成することにより、上記放電空間内に侵入した上記液状物を上記空隙部に排出して、上記中心電極と上記接地電極放電部との間に放電経路を確保できることが確認された。

本発明の第１の実施形態におけるプラズマ点火装置の概要を示す半断面図。（ａ）は、本発明の第１の実施形態におけるプラズマ点火装置の要部断面図、（ｂ）は、本発明の要部である接地電極放電部の詳細を示す一部切り欠き斜視図。本発明の第１の実施形態におけるプラズマ点火装置の効果を示し、（ａ）は、燃料液滴が付着した状態における要部断面図、（ｂ）は、圧縮行程における要部断面図。本発明の効果を確認するための模擬試験結果を示し、（ａ）は、液滴が付着した状態を示す図面代用写真、（ｂ）は、加圧時の図面代用写真。従来のプラズマ点火装置の問題点を示し、（ａ）は、燃料液滴が付着した状態における要部断面図、（ｂ）は、圧縮行程における要部断面図。従来の問題点を確認するための模擬試験結果を示し、（ａ）は、液滴が付着した状態を示す図面代用写真、（ｂ）は、加圧時の図面代用写真。本発明の効果に対する放電空間容積と空隙部容積との関係を示す特性図。本発明の第２の実施形態におけるプラズマ点火装置に用いられる接地電極放電部の概要を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は、断面図、（ｃ）は、下面図、（ｄ）は、組み付け状態における要部断面図。本発明の第３の実施形態におけるプラズマ点火装置の要部断面図。

本発明は、放電空間内の気体に高エネルギを与えて高温・高圧のプラズマ状態として機関燃焼室内に噴射して機関燃焼室内の混合気を点火するプラズマ点火装置において、低温始動時などにおいて、燃焼室内に噴射された燃料がプラズマ点火プラグの先端に付着し、冷却され、液滴状となってプラズマ点火プラグに区画された放電空間内侵入したときに、液体燃料を放電空間から排出する液状物排出手段と、排出された液体燃料を一時的に貯留する液状物貯留手段とを設けて、中心電極と接地電極との間の絶縁耐圧の上昇や短絡を防止して、安定した着火を実現するプラズマ点火装置である。

図１、図２を参照して本発明の第１の実施形態におけるプラズマ点火装置１の概要について説明する。
図１に示すように、本実施形態におけるプラズマ点火装置１は、図略の燃焼機関３０の燃焼室３００内に先端が露出するように装着されたプラズマ点火１０とプラズマ点火プラグ１０に高電圧の印加と大電流の供給とを行う高エネルギ電源２０とによって構成されている。

プラズマ点火プラグ１０は、略長軸状に形成した中心電極１１と、中心電極１１を覆う略筒状に形成した絶縁体１２と、絶縁体１２を覆う略筒状に形成したハウジング１３と、ハウジング１３に延設して略環状に形成され燃焼室３００に向かって開口する開口部１３１の形成された接地電極１３０と、放電チップ１５０と、絶縁体１２の内側に区画された放電空間１４０と、本発明の要部であり、接地電極１３０の表面に付着した燃料を一時的に貯留する液状物貯留手段として絶縁体１２とハウジング１３との間に形成した空隙部１６０と、放電空間１４０内に侵入した燃料を排出する液状物排出手段として、放電チップ１５０に穿設された空隙部１６０と放電空間１４０とを連通する連通路１６１とによって構成されている。

中心電極１１は、先端側に中心電極放電部１１０が形成され、基端側に外部の高エネルギ電源２０に接続される中心電極端子部１１２が形成され、中心電極放電部１１０と中心電極端子部１１２とは中心電極中軸１１１を介して、一体に接続されている。
中心電極放電部１１０は、例えばイリジウム、イリジウム合金等の貴金属を含む耐熱性の高い導電性材料によって形成されている。
中心電極中軸１１１は、耐食性に優れたニッケル合金等によって形成され、内部に銅等の良電導性で高熱伝導性の金属材料が封入されている。
中心電極端子部１１２は、鉄、アルミニウム等の良電導性の金属材料によって形成されている。

絶縁体１２は、機械的強度、耐熱性、熱伝導性、高温時の絶縁耐力に優れた高純度のアルミナ等の絶縁性セラミックスを用いて中心電極１１を覆うように略筒状に形成されている。
絶縁体１２の先端側には、中心電極放電部１１０の下端面よりも下方に延びる略筒状の放電空間形成部１２０が形成されている。放電空間形成部１２０の内側には、中心電極放電部１１０の下端面と接地電極開口部１３１とによって、放電空間１４０が区画されている。
絶縁体１２の中腹には、径大となる絶縁体係止部１２１が形成され、絶縁体係止部１２１を覆うように略筒状のハウジング１３によって固定されている。
ハウジング１３から露出する絶縁体１２の基端側には、コルゲート状の絶縁体頭部１２２が形成され、絶縁体頭部１２２から露出する中心電極端子部１１２とハウジング１３との間で絶縁リークを生じないようになっている。

接地電極１３０は、放電空間形成部１２０の下端面を覆いつつ、放電空間形成部１２０の下端開口に連通し、燃焼室３００に向かって開口し、内側に開口空間１４１の区画された接地電極開口部１３１を有する略環状に形成されている。
接地電極１３０の基端側に連なって、放電空間形成部１２０の外周を覆うように略筒状の側面電極１３２が形成されている。
側面電極１３２の基端側に連なって絶縁体係止部１２１を覆うようにハウジング１３が形成され、さらにハウジング１３の先端側外周には、燃焼機関６０に螺結するためのネジ部１３３が形成され、ハウジング１３の基端側外周には、ネジ部１３３をネジ締めするための六角部１３５が形成され、さらに、ハウジング１３に基端側端面には、絶縁体係止部１２１を加締め固定する加締め部１３４が形成されている。
接地電極１３０と側面電極１３２とハウジング１３とは、ニッケル、ニッケル合金、鉄等の金属材料によって形成されている。

側面電極１３２と絶縁体１２との間には、略筒状の空隙部１６０が形成されている。
空隙部１６０の基端側は、絶縁体係止部１２１とハウジング１３とが当接する当接部が形成され、絶縁体係止部１２１とハウジング１３との間に機密性保持部材として金属製シール部材１７０（パッキン）、絶縁性粉末シール部材１７１、封止部材１７２等が挿嵌されているので気密性が保持され、空隙部１６０及び放電空間１４０内の気体が外部に漏れるのを防止している。
本発明において、空隙部１６０は、プラズマ点火プラグ１０の表面に付着した燃料液滴を放電空間１４０内から排出させ一時的に貯留する排出燃料貯留手段を構成している。
さらに、空隙部１６０は、プラズマ点火プラグ１０の製造時において放電空間形成部１２０の側面電極１３２内への挿入を容易にすると共に、側面電極１３２と中心電極放電部１１０との間に形成される浮遊容量を小さくして放電ノイズの発生を抑制している。

図２（ａ）に示すように、接地電極１３０と放電空間形成部１２０の下端面との境界には、接地電極放電部として放電チップ１５０が介装されている。
放電チップ１５０は、耐熱性、耐スパッタリング性に優れた金属材料が用いられ、図２（ｂ）に示すように、略環状に形成されている。
放電チップ１５０の上面は、絶縁体１２の下端面に気密に当接している。放電チップ１５０の内周面は放電空間１４０に連なり、放電チップ１５０の外周面は略筒状の空隙部１６０に露出し、内周面と外周面とを貫き、放電空間１４０と空隙部１６０とを連通する連通路１６１が穿設されている。
連通路１６１は、少なくとも１以上穿設してあれば良いが、本図に示すように複数穿設しても良い。
また、連通路１６１の一つ当たりの断面積Ｓが、０．１ｍｍ^２より小さい場合には、連通路１６１の管路抵抗が大きく、空隙部１６０内に液状燃料等の液状物が流入しにくくなる。したがって、連通路１６１の１つ当たりの断面積Sは少なくとも０．１ｍｍ^２以上とすることが望ましい。
なお、本実施形態において、放電空間１４０の容積は４ｍｍ^３程度に形成され、空隙部１６０の容積は、約２０ｍｍ^３に形成されており、放電空間１４０も容積の５倍以上となっている。

図３及び図４を参照して本発明の効果について説明する。
図３（ａ）に示すように、低温始動時に燃焼室３００内に噴射された燃料が冷却されて接地電極１３０の開口部１３１を覆うように燃料液滴Ｄ_ＦＬが形成された場合であっても、本図（ｂ）に示すように、燃焼サイクルの圧縮工程において、燃焼室３００内の圧力Ｐ_ＣＹＬが、例えば、１．０ＭＰａに加圧されると、燃料液滴Ｄ_ＦＬは、接地電極開口部１３１から放電空間１４０内の気体を押圧しながら侵入するが、放電チップ１５０に連通路１６１が穿設されているので、キャピラリー効果により、連通路１６１を介して空隙部１６０内に燃料液滴Ｄ_ＦＬが吸い込まれる。

このとき、燃焼室３００内の圧力が急上昇すると燃料液滴Ｄ_ＦＬを介して放電空間１４０内の圧力が急上昇し、連通路１６１の放電空間１４０側の開口が燃料液滴Ｄ_ＦＬによって塞がれた状態であると、空隙１６０内の圧力Ｐ_１６０は相対的に放電空間１４０内の圧力Ｐ_１４０よりも低くなるので、また、空隙部１６０の容積は放電空間１４０の容積に比べ遥かに大きいので、圧縮により燃焼室３００内の圧力Ｐ_ＣＹＬが上昇すると、放電空間１４０内の圧力Ｐ１４０は、すぐに燃焼室３００内のＰ_ＣＹＬと等しい圧力なり、空隙部１６０内の圧力Ｐ_１６０は相対的に低くなり、燃料液滴Ｄ_ＦＬは瞬間的に空隙部１６０内に吸い込まれ、中心電極放電部１１０の下端表面と放電チップ１５０の内周表面と接地電極１３０の開口部１３１の表面とが液状燃料に覆われることなく放電空間１４０及び開口空間１４１に露出し、中心電極放電部１１０の下端表面と放電チップ１５０の内周表面との間で放電が可能な状態となるものと推察される。

この状態で、図略の電子制御装置から発信された点火信号にしたがって、項エネルギ電源２０から、中心電極放電部１１０と放電チップ１５０との間に高電圧が印加されると、放電空間１４０内の絶縁が破壊され、沿面放電が起こり、これをトリガとして高エネルギ電源２０から大電流が流れ、放電空間１４０及び開口空間１４１内の気体が高温・高圧のプラズマ状態となって噴射される。
このとき、一時的に空隙部１６０内に吸い込まれた液体燃料は、プラズマ状態となった気体によって加熱され、燃焼する。あるいは、空隙部１６０内に残留したとしても、点火後に放電空間１４０及び開口空間１４１内の圧力Ｐ_ＣＹＬが減圧したときに、空隙部１６０内の圧力Ｐ_１６０によって放電空間１４０及び開口空間１４１内に排出され、次回の点火時に燃焼される。
なお、絶縁体１２の下端部と放電チップ１５０と接地電極１３０とは密接状態が保たれており、また、気体は液体に比べ濡れ性が悪く、摩擦係数が大きく、連通路１６１の内径φＤは十分に小さいので、点火時に放電空間１４０及び開口空間１４１内の気体が高温、高圧のプラズマ状態となったときに、連通路１６１を介して空隙部１６０内に漏れる虞はない。

図４に、本発明の効果を確認するために行った模擬試験結果を示す。本図（ａ）に示すように、大気圧、又は、０．１ＭＰａに保った圧力容器内に、本発明のプラズマ点火プラグ１０の先端を露出させ、燃料液滴Ｄ_ＦＬを模して水滴Ｄ_Ｗ（０．０８ｍｌ）をプラズマ点火プラグ１０の先端に付着させ、本図（ｂ）に示すように、燃焼機関３０の圧縮工程を模して、圧力容器内を１．０ＭＰａに上昇させたところ、水滴Ｄ_Ｗは、接地電極開口部１３１から放電空間１４０及び開口空間１４１内に吸い込まれ、中心電極１１とハウジング１３との間に高電圧を印加したところ放電が可能であることが確認された。
（比較例）

ここで、図５、図６を参照して、比較例として従来のプラズマ点火プラグ１０ｚを用いた場合の問題点について説明する。
従来のプラズマプラグ１０ｚでは、空隙部１６０ｚに放電空間１４０ｚ内の圧力が漏れないように、放電チップ１５０ｚと絶縁体１２の下端面とが密接状態となっている。
図５（ａ）に示すように、接地電極開口部１３１ｚを覆うように燃料液滴Ｄ_ＦＬが付着した場合、図５（ｂ）に示すように、燃焼室３００内の圧力Ｐ_ＣＹＬが上昇すると、放電空間１４０ｚ内に燃料液滴の一部が侵入し、燃料を介して放電空間１４０ｚ内の圧力Ｐ_１４０ｚが燃焼室３００内の圧力Ｐ_ＣＹＬと等しくなるまで放電空間１４０ｚ内の気体は圧縮される。
このとき、液体燃料は逃げ場がないので、放電空間１４０ｚ及び開口空間１４１ｚ内に留まり、放電チップ１５０ｚの表面を覆いつくし、中心電極放電部１１０と放電チップ１５０ｚとの間の絶縁耐圧が極めて高くなり、放電できなくなることが判明した。

図６に、かかる問題点を確認するために行った模擬試験の結果を示す。本図（ａ）に示すように、大気圧、又は、０．１ＭＰａに保った圧力容器内に、従来のプラズマ点火プラグ１０ｚの先端を露出させ、燃料液滴Ｄ_ＦＬを模して水滴Ｄ_Ｗｚ（０．８ｍｌ）をプラズマ点火プラグ１０ｚの先端に付着させ、本図（ｂ）に示すように、燃焼機関３０の圧縮工程を模して、圧力容器内を１．０ＭＰａに上昇させたところ、水滴Ｄ_Ｗｚは、接地電極開口部１３１ｚから放電空間１４０ｚ内に吸い込まれることなく、水滴Ｄ_Ｗｚにほとんど変化は見られなかった。
また、中心電極１１ｚとハウジング１３ｚとの間に高電圧を印加したところ、中心電極１１ｚとハウジング１３ｚとの間が短絡して、放電できないことが確認された。

図７を参照して、空隙部１６０の容積を変化させて行った本発明者等の鋭意試験により得られた、本発明の効果に対する放電空間１４０及び開口空間１４１の容積と中心電極空隙部１６０の容積との関係について説明する。
放電空間１４０と開口空間１４１とを合わせた容積Ｖ_Ｃ（ｍｍ^３）に対し、空隙部１６０の容積Ｖ_Ｖ（ｍｍ^３）を変化させたところ、図７に示すように、空隙部１６０の容積の放電空間１４０及び開口空間１４１の容積に対する容積比（Ｖ_Ｖ／Ｖ_Ｃ）が０．７以下の比較例においては、液状物質の放電空間１４０及び開口空間１４１内への侵入により放電空間１４０及び開口空間１４１の絶縁耐圧が上昇し、試験装置の印加電圧上限である３５ｋＶでは、放電することができず、図７に比較例として示すようにオープン波形となった。
空隙部１６０の容積の放電空間１４０及び開口空間１４１の容積に対する容積比（Ｖ_Ｖ／Ｖ_Ｃ）が１．０以上、即ち、放電空間１４０及び開口空間１４１の容積Ｖ_Ｃの等倍以上となるように、空隙部１６０及び開口空間１４１の容積Ｖ_Ｖを設定した場合には、放電空間１４０及び開口空間１４１内に侵入した液状物が、空隙部１６０に排出され、図７に実施例と示すように放電電圧を３５ｋＶ以下の安定した電圧で放電可能となることが判明した。また、連通路１６１の断面積Ｓは、０．１ｍｍ^２以上とするのが望ましいことが判明した。

さらに、上記実施形態において、放電空間１４０及び開口空間１４１内に侵入する液状物が放電空間１４０及び開口空間１４１内を充満するような量の水滴を用いた試験の結果を用いて、効果を説明したが、このような多量の液状物が放電空間１４０及び開口空間１４１内に侵入するような場合にのみならず、燃焼室４００内に存在する細かな粒状の液滴が、圧縮行程で数多く侵入し、中心電極放電部１１０と放電チップ１５０との間に点在するような場合でも、連通路１６１のキャピラリー効果によって空隙部１６０内に吸い込まれるので、放電経路途中の液状物の付着量が減少し、絶縁耐圧の上昇を抑制し、安定した放電電圧で放電可能となる。

本発明の第２の実施形態において通路１６１の形成位置を変えたプラズマ点火装置１ａ〜１ｄについて、図８（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。
上記実施形態のように、連通路１６１は、放電チップ１５０の内部に側面を内周面から外周面まで貫通するように形成しても良いが、本図（ａ）に示すように、放電チップ１５０ａの下端面の一部と外周側面の一部とを溝状に窪ませて略Ｌ字形に穿設した連通路１６１ａとしても良い。このような構成とすることにより、放電空間１４０と空隙部１６０とが連通状態となり、上記実施形態と同様に、放電空間１４０及び開口空間１４１内に侵入した燃料液滴を一時的に空隙部１６０内に排出させ、中心電極放電部１１０と放電チップ１５０ａとの間で安定した放電経路が形成され、確実に点火が起こる。
また、本図（ｂ）に示すように、連通路１６１ｂを放電チップ１５０ａの表面に溝状に穿設しても良いし、本図（ｃ）に示すように、接地電極１３０ｃと放電チップ１５０ｃとの境界において接地電極１３０ｃ側の表面に連通路１６１ｃを溝状に穿設しても良いし、本図（ｄ）に示すように、絶縁体放電空間形成部１２０ｄと放電チップ１５０ｄとの境界において絶縁体放電空間形成部１２０側の表面に連通路１６１ｄを溝状に穿設しても良い。
いずれの実施形態においても、放電空間１４０及び開口空間１４１内に侵入した液状物が連通路１６１ａ、１６１ｂ、１６１ｃ、１６１ｄから空隙部１６０に排出され、中心電極放電部１１０と接地電極放電部１３０との間に放電経路を確保する上記実施形態と同様の効果が期待できる。

図９を参照して、本発明の第３の実施形態におけるプラズマ点火装置１ｅについて説明する。上記実施形態においては、液状物貯留手段として空隙部１６０を絶縁体１２とハウジング１３との間に形成し、液状物排出手段として空隙部１６０と放電空間１４０とを連通する連通路１６１を設けた場合について説明したが、本実施形態においては、中心電極１１と絶縁体１２との間に０．０２ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下の間隙ＧＡＰを設けて、液状物貯留手段（空隙部）１６０ｅ及び液状物排出手段（連通路）１６１ｅとした点が相違する。本実施形態において、連通路１６１ｅは、空隙部１６０ｅと放電空間１４０とが連通する形状であれば、中心電極１１０ｅの先端を絶縁体１２０ｅの内周壁が径小となるように縮径する径変部に当接させ、中心電極１１０ｅの先端と絶縁体１２０ｅの径変部との境界で、中心電極１１０ｅ側と絶縁体１２０ｅ側とのいずれかに、上記実施形態と同様の細孔状又は溝状に穿設した構成としても良いし、図９に示すように、中心電極１１０ｅの先端と絶縁体１２０ｅの径変部と当接しないように間隙を設けた構成としても良い。
このような構成とすることによって、圧縮行程時に放電空間１４０及び開口空間１４１内に侵入した液状物が、連通路１６１ｅから、空隙部１６０ｅに吸い込まれ、中心電極放電部１１０ｄと接地電極放電部１３０との間の放電経路が確保され、安定した着火を実現可能なプラズマ点火装置１ｅが実現できる。
なお、本実施形態において、空隙部１６０ｅの大きさを変化させて行った試験においても、図７に示した結果と同様の結果が得られ、放電空間１４０及び開口空間１４１の容積Ｖ_Ｃの等倍以上の容積で空隙部１６０ｅを設ければ、本発明の効果が得られることが判明した。
さらに、本実施形態において、空隙部１６０ｅと連通路１６１ｅとを中心電極１１と絶縁体１２との間にのみ設けても良いし、これに加えて、上記実施形態と同様に、絶縁体１２とハウジング１３との間に空隙部１６０を設けて、絶縁体１２０ｅの先端と接地電極１３０又は接地電極放電部１３１との境界に連通路１６１を形成した構成としても良い。

また、接地電極１３０、又は、側面電極１３２に、空隙部１６０、１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ、１６０ｄと燃焼室４００とを連通し、所定の流路抵抗を有する連通孔を穿設することにより空隙部１６０、１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ、１６０ｄ内に侵入した液状物を燃焼室４００内に排出できるような構成とすることも可能であると推察される。

なお、本発明において、高エネルギ電源２０は、特に限定するものではなく、中心電極放電部１１０と接地電極１３０との間の絶縁を破壊し、放電空間１４０内に大電流を放出して、放電空間１４０内の気体を高温・高圧のプラズマ状態として噴出させることができれば、如何なる構成であっても良く、プラズマ点火装置に用いられる公知の高エネルギ電源を適宜採用し得るものである。

１プラズマ点火装置
１０プラズマ点火プラグ
１１中心電極
１１０中心電極放電部
１２絶縁体
１３ハウジング
１３０接地電極
１３１接地電極開口部
１４０放電空間
１５０接地電極放電部（放電チップ）
１６０空隙部（液状物貯留手段）
１６１連通路（液状物排出手段）
１７０機密性保持部材（パッキン）
２０高エネルギ電源
３０燃焼機関

特開２００８−２７７２５７号公報特開２００７−２５５３７４号公報

Claims

略長軸状に形成した中心電極と、該中心電極を覆いつつ上記中心電極の下端面よりも下方に向かって伸びる略筒状に形成した絶縁体と、該絶縁体を覆う略筒状に形成したハウジングと、該ハウジングに延設して略環状に形成された接地電極とによって構成したプラズマ点火プラグと、該プラズマ点火プラグに高エネルギを供給する高エネルギ電源とを具備し、上記中心電極と上記接地電極との間に区画された放電空間内に高エネルギを与えて、上記放電空間内の気体を高温・高圧のプラズマ状態として機関燃焼室内に噴射して燃焼機関の点火を行うプラズマ点火装置において、
上記燃焼室に向かって開口する上記接地電極の開口部の内側に区画された開口空間及び上記放電空間内に侵入した液状物を上記放電空間から排出する液状物排出手段と、排出された液状物を一時的に貯留する液状物貯留手段とを具備することを特徴とするプラズマ点火装置。
上記液状物貯留手段として、上記絶縁体と上記ハウジングとの間、又は、上記絶縁体と上記中心電極との間の、少なくとも一方の位置に外部との気密が保持された空隙部を設けると共に、上記液状物排出手段として、上記空隙部と上記放電空間とを連通する連通路を設けることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ点火装置。
上記絶縁体の下端面と上記接地電極との間に密接して略環状に形成した接地電極放電部を介装すると共に、上記連通路は、上記絶縁体と上記接地電極放電部との境界における上記絶縁体表面、上記絶縁体と上記接地電極放電部との境界における上記接地電極放電部表面、上記接地電極放電部内部、上記接地電極放電部と上記接地電極との境界における上記接地電極放電部表面、上記接地電極放電部と上記接地電極との境界における上記接地電極表面の少なくともいずれかの位置に設けることを特徴とする請求項１、又は、２に記載のプラズマ点火装置。
上記連通路は、一つ当たりの断面積を０．１ｍｍ^２以上に形成することを特徴とする請求項２、又は、３に記載のプラズマ点火装置。
上記空隙部の容積は、上記放電空間と上記開口空間とを合わせた空間の容積の等倍以上に形成する請求項２ないし４のいずれか１項に記載のプラズマ点火装置。