JP2012084540A

JP2012084540A - プラズマジェット点火プラグおよびその点火装置

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Publication number: JP2012084540A
Application number: JP2011283381A
Authority: JP
Inventors: Toru Nakamura; 通中村; Tomoaki Kato; 友聡加藤; Yuichi Yamada; 裕一山田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2012-04-26
Also published as: EP2166628A4; JPWO2008156035A1; EP2166628A1; WO2008156035A1; US20100102728A1; US8082897B2

Abstract

【課題】混合気に、より点火しやすく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装置を提供すること。
【解決手段】
プラズマジェット点火プラグ６００のキャビティ６６０を、絞り部６３と拡径部６６５とから構成する。拡径部６６５は絞り部６３から中心電極２０の先端面２６に向けて径が徐々に拡径されている。従って、拡径部６６５の内周面はテーパ状に形成され、絞り部６３の内径は拡径部６６５の内径よりも小さくなる。これにより、プラズマの噴出時の勢いを強め、混合気への着火性をより向上することができる。
【選択図】図８

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装置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。）により混合気への点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いる。例えば、燃焼の広がりが速く、従来よりも空燃比の高い希薄混合気に対しても確実に点火できる点火プラグとして、プラズマジェット点火プラグが知られている。

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）で包囲した、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有している。このようなプラズマジェット点火プラグを用い、混合気への点火が行われる際には、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、中心電極と接地電極との間には、比較的低い電圧で電流を流すことができるようになる。中心電極と接地電極との間にさらにエネルギーが供給されると、放電状態が遷移して、キャビティ内でプラズマが形成される。そして、キャビティ内で形成されたプラズマが、接地電極の連通孔（外部電極孔）を通じて噴出され、混合気への点火が行われる（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、キャビティから噴出される際に、例えば火柱状の形態をなすものがある（以下、このようなプラズマの形態を「フレーム状」という。）。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。混合気への着火性をさらに向上させるには、噴出するプラズマの噴出長さをより長くするとよいことが知られている。特許文献１においてもキャビティの容積やその形状を種々変更することにより、プラズマの噴出長さを長くする試みがなされている。

特開２００６−２９４２５７号公報

しかしながら、内燃機関の燃費効率の向上への要望から、より希薄な混合気に対しても十分な着火性を得られる点火プラグが求められている。特許文献１のようにプラズマの噴出長さをただ長くするだけでなく、より勢いよくキャビティからプラズマを噴出でき、混合気に対し、より点火しやすい点火プラグが求められていた。

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、混合気に、より点火しやすく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装置を提供することを目的とする。

本発明の第１態様によれば、中心電極と、軸線方向に延びる軸孔を有し、当該軸孔内に、前記中心電極の先端面を収容しつつ前記中心電極を保持すると共に、前記軸孔の先端側に、前記軸孔の内周面と前記中心電極の先端面とを壁面とし、容積が１５ｍｍ^３未満のキャビティとしての凹部が形成された絶縁碍子と、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、前記絶縁碍子よりも先端側に設けられた接地電極とを備え、前記中心電極と前記接地電極との間で行う放電に伴い前記凹部内にてプラズマを生ずるプラズマジェット点火プラグにおいて、前記絶縁碍子の前記凹部は、少なくとも前記軸線方向に同径で延びる部位を有し、前記絶縁碍子の先端側の開口に連続する絞り部と、前記絞り部に連続し、前記絞り部よりも拡径されるとともに、前記中心電極の先端面が自身の内部に露出された拡径部とから構成され、前記軸線方向において、前記拡径部の長さをＸ、前記絞り部の長さをＹとしたときに、Ｘ≦Ｙを満たす、プラズマジェット点火プラグが提供される。

第１態様のプラズマジェット点火プラグでは、キャビティ内で生じたプラズマが、噴出に至る前に、キャビティ内で膨張することとなる。このとき、キャビティの外部に通ずる絞り部の内径が拡径部より小さく構成されているため、拡径部内で膨張するプラズマの圧力の損失が抑えられる。従って、キャビティ内でのプラズマの圧力をより高めることができる。また、絞り部は、内径が同径のままで軸線方向に延びる区間を有する。このため、噴出時にプラズマが絞り部を通過すると、プラズマは軸線付近に集められる。さらにプラズマは、その噴出方向が軸線方向に揃えられる。これにより、プラズマの噴出時の圧力がより高められるので、プラズマの勢いを強めることができる。さらに、プラズマの噴出方向が揃えられることにより、噴出後にプラズマが広がってしまい、プラズマのエネルギーが低下してしまうことを抑制することができる。従ってプラズマの噴出長さをより長くすることができ、混合気への着火性をより向上することができる。

そして、拡径部よりも径の細い絞り部は、その長さが、軸線方向において拡径部と同じ長さか、それよりも長くなるように、形成されるとよい。すなわちＸ≦Ｙが満たされるとよい。このようにすれば、プラズマが絞り部を通過した際にその形状を整え、軸線方向に伸びる火柱状（フレーム状）となるようにすることができる。また、このときプラズマは、噴出方向が軸線方向に揃えられるので、噴出時の勢いが増加する。これによりプラズマは、高いエネルギーを保ったままでプラズマ自身の噴出長さを長くできる。従ってプラズマは、燃焼室内の混合気に対し高い着火性を得ることができる。

さらに、本発明の第２態様のプラズマジェット点火プラグによれば、上記第１態様のプラズマジェット点火プラグの前記凹部は、前記拡径部における内径で最も大きな部位の内径をＡとしたときに、Ａ≦φ４．０（ｍｍ）を満たすとともに、前記絞り部における内径で最も小さな部位の内径をＢとしたときに、φ０．５≦Ｂ≦φ１．５（ｍｍ）を満たすとよい。

このように、拡径部の内径Ａをφ４．０（ｍｍ）以下とすれば、拡径部内での噴出方向以外へのプラズマの広がりによる圧力の損失を低減することができる。そして、絞り部の内径Ｂをφ１．５（ｍｍ）以下とすることで、拡径部の内径Ａに対して十分な径差を設けることができる。これにより、拡径部におけるプラズマの膨張過程で絞り部を介した圧力の損失を低減することができる。また、絞り部の内径Ｂが大きすぎると、拡径部において十分に圧力が高められたとしても、絞り部を介して噴出される際のプラズマの断面あたりの圧力が低下する虞がある。すると、プラズマは、十分な噴出長さを得られなくなる虞がある。このことからも、絞り部の内径Ｂをφ１．５（ｍｍ）以下とすることが好ましい。一方で、絞り部の内径Ｂが小さすぎると、プラズマの噴出時のエネルギー損失が大きく、噴出時のプラズマの外径が細くなって着火性の低下を招く虞がある。従って、絞り部の内径Ｂはφ０．５（ｍｍ）以上とすることが好ましい。このように、キャビティの拡径部の内径Ａと、絞り部の内径Ｂとの大きさをそれぞれ規定することによって、キャビティから噴出するプラズマが、十分な噴出量を有することができる。さらに、プラズマの噴出長さも長くすることができ、混合気への着火性をより向上することができる。

さらに、本発明の第３態様のプラズマジェット点火プラグは、上記第１または第２態様のプラズマジェット点火プラグの、前記接地電極は、板状の電極で、前記凹部と外気とを連通する連通孔を有し、前記軸線方向において、前記接地電極の厚みをＺとしたときに、Ｚ＜Ｘ＋Ｙ≦３．０（ｍｍ）を満たすとよい。

このように、キャビティ全体の軸線方向の長さ（深さ）、すなわち、軸線方向における拡径部の長さＸと絞り部の長さＹとの和を３．０（ｍｍ）以下とすれば、プラズマの噴出時に、プラズマがキャビティ内で軸線方向に広がってしまうことを抑制できる。これにより、プラズマ噴出時の圧力の損失を抑制することができる。従って、プラズマの勢いが低下することを防止することができる。

また、プラズマは、絶縁碍子の開口から外部に向けて噴出する際に、接地電極の連通孔を通るため、実際には接地電極よりも外方にて混合気への点火が行われることとなる。従ってプラズマは、軸線方向において接地電極の先端面よりも先端側に達したときに、高いエネルギーを維持していることが望ましい。そのためにはＺ＜Ｘ＋Ｙ（ｍｍ）が満たされるとよい。

さらに、本発明の第４態様のプラズマジェット点火プラグは、上記第２態様のプラズマジェット点火プラグが、Ｘ≦Ａを満たすとよい。

このように、拡径部の長さＸを内径Ａ以下の大きさとすれば、拡径部の形状を、軸線方向よりも径方向に長く延びる小部屋形状とすることができる。するとプラズマは、膨張する際に径方向へ広がりやすくなるので、絞り部側へ膨張することによるプラズマの圧力損失を抑えることができる。従って、プラズマの噴出時に、プラズマの圧力が低下することを抑制することができる。

さらに、本発明の第５態様のプラズマジェット点火プラグは、上記第２または第４態様のプラズマジェット点火プラグの前記接地電極の前記連通孔の内径をＣとしたときに、Ｂ≦Ｃを満たすとよい。

このように、接地電極の連通孔の内径Ｃを絞り部の内径Ｂ以上の大きさとすれば、絞り部によって噴出時に軸線方向に揃えられるプラズマが、連通孔を通過する際に、接地電極とは接触し難くすることができる。従って、接地電極によってプラズマの熱が奪われ難くなり、着火性の低下を抑制することができる。

さらに、本発明の第６態様のプラズマジェット点火プラグは、上記第２、第４または第５態様のプラズマジェット点火プラグの前記中心電極の先端部の外径をＤとしたときに、０≦Ｄ−Ｂ≦２（ｍｍ）を満たすとよい。

プラズマの発生時には中心電極と接地電極との間で火花放電が行われるが、このように、Ｄ−Ｂを２ｍｍ以下とすれば、絞り部が、火花放電の経路上に大きく張り出す形態となってチャンネリングにより削られてしまうことを抑制することができる。また、Ｄ−Ｂを０ｍｍ以上とすれば、キャビティ内で生成されたプラズマが噴出する際に、噴出方向とは反対側にプラズマの圧力が逃げてエネルギーを損失してしまうことを抑制することができる。

さらに、本発明の第７態様のプラズマジェット点火プラグは、上記第１乃至第６態様のプラズマジェット点火プラグの前記絞り部の前記軸線方向と直交する断面積をＳ（ｍｍ^２）、前記凹部の容積をＶ（ｍｍ^３）としたときに、０．０１＜Ｓ／Ｖ≦０．４を満たすとよい。

このように、Ｓ／Ｖが０．０１より大きければ、プラズマが、絞り部を介して外部に噴出する際に、発生したプラズマの総量に対する時間あたりの流量が絞られ過ぎることがなく、プラズマの噴出を効率よく行うことができる。また、Ｓ／Ｖが０．４以下であれば、キャビティ内で発生したプラズマが膨張する際に、絞り部を介してプラズマの圧力が抜けてしまうことがなく、プラズマの噴出時の勢いを高め、着火性を向上することができる。

また、本発明の第８態様によれば、上記第７態様のプラズマジェット点火プラグと、前記プラズマジェット点火プラグに点火のためのエネルギーを供給する電源とを備え、前記電源から供給される供給エネルギーの量をＥ（ｍＪ）としたときに、３≦Ｅ／Ｖ≦２００を満たす、プラズマジェット点火プラグの点火装置が提供される。

このように、Ｅ／Ｖが３以上であれば、キャビティ内で発生するプラズマが、そのキャビティの容積に見合う量のエネルギーを得ることができる。このためプラズマは、キャビティ内で十分に圧力を高めることができ、噴出時の勢いを高めて着火性を向上することができる。また、Ｅ／Ｖを２００以下にすれば、供給エネルギー量が飽和状態とはならず、発生するプラズマのエネルギーの増加に応じた着火性を得られる。そして、着火性の向上のために必要且つ十分なエネルギーの供給を受けるため、電極消耗を十分に抑制することができる。

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。プラズマジェット点火プラグ１００に接続された点火装置１２０の電気的な構成を概略的に示す図である。変形例としてのプラズマジェット点火プラグ２００の部分断面図である。変形例としてのプラズマジェット点火プラグ３００の部分断面図である。変形例としてのプラズマジェット点火プラグ４００の部分断面図である。変形例としてのプラズマジェット点火プラグ５００の部分断面図である。変形例としてのプラズマジェット点火プラグ６００の部分断面図である。変形例としてのプラズマジェット点火プラグ７００の部分断面図である。変形例としてのプラズマジェット点火プラグ８００の部分断面図である。Ｅ／Ｖと空燃比向上率との関係を示す片対数グラフである。

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装置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。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する。そして、図１の紙面において、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、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た絶縁部材であり、軸線Ｏ方向に軸孔１２を有する筒状をなす。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、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。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、電極収容部１５として形成されている。電極収容部１５は、軸孔１２のうち、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、縮径されている。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１４を形成している。

次に、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ある。中心電極２０は、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。中心電極２０の先端部２１は、先端側に向けて縮径されている。そして中心電極２０の先端部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ている。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いる。これにより、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）が、電極収容部１５と先端小径部６１との間の段部よりも軸線Ｏ方向の後端側に配置されている。

この構成により、プラズマジェット点火プラグ１００には、軸孔１２の先端小径部６１の内周面によって囲まれ、軸線Ｏ方向先端側が絶縁碍子１０の先端面１６の開口１４に連続し、軸線Ｏ方向後端側が電極収容部１５に通ずる筒穴状の第１の小部屋（以下、「絞り部」６３とよぶ。）が形成されている。さらに、プラズマジェット点火プラグ１００には、電極収容部１５の内周面と、中心電極２０の先端面２６とで包囲され、軸線Ｏ方向先端側が絞り部６３に通ずる第２の小部屋（以下、「拡径部」６５とよぶ。）が形成されている。つまり、絶縁碍子１０の軸孔１２は、電極収容部１５の先端側で、中心電極２０により塞がれた凹部状をなす。すなわち軸孔１２には、絞り部６３と拡径部６５とから構成され、先端面１６の開口１４を外部との連通口とする小部屋（以下、「キャビティ」６０とよぶ。）が設けられている。

次に、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。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、中心電極２０と接地電極３０との間で火花放電を行うための高電圧が印加されるようになっている。

次に、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る。主体金具５０は、絶縁碍子１０を取り囲むようにして自身の内部に保持している。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が介在されている。更に両リング部材６，７の間には、タルク（滑石）９の粉末が充填されている。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、絶縁碍子１０が主体金具５０内で先端側に向け押圧されている。また、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いる。このようにして、主体金具５０と絶縁碍子１０とが一体となっている。そしてパッキン８０によって、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密が保持され、両者間を介した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が形成されている。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。

次に、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いる。接地電極３０は、自身の厚み方向を軸線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とレーザ溶接されている。これにより、接地電極３０と主体金具５０とが一体となっている。キャビティ６０の内部は、接地電極３０の連通孔３１を介し、外気と連通されている。

このような構造を有するプラズマジェット点火プラグ１００は、図３に一例を示す、点火装置１２０に接続され、点火装置１２０から電力の供給を受けることにより、混合気への点火を行う。以下、点火装置１２０の構成について説明する。

図３に示す点火装置１２０は、ＥＣＵからの指示に従ってプラズマジェット点火プラグ１００に電力を供給し、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装置である。点火装置１２０には、火花放電回路部１４０、プラズマ放電回路部１６０、制御回路部１３０，１５０、および逆流防止用の２つのダイオード１４５，１６５が設けられている。

火花放電回路部１４０は、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り、例えばＣＤＩ型の電源回路から構成される。火花放電回路部１４０は、自動車のＥＣＵ（電子制御回路）に接続された制御回路部１３０によって制御される。火花放電回路部１４０は、ダイオード１４５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１４０における電位の向きやダイオード１４５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１６０は、火花放電回路部１４０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。プラズマ放電回路部１６０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１５０によって制御される。プラズマ放電回路部１６０も同様に、逆流防止用のダイオード１６５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１６０には、エネルギーとしての電荷を蓄えておくコンデンサ１６２と、コンデンサ１６２を充電するための高電圧発生回路１６１とが設けられている。コンデンサ１６２は、一端が接地され、他端が、高電圧発生回路１６１と、上記ダイオード１６５を介して中心電極２０とに接続されている。ここで、１回のプラズマ噴出を行うため、火花放電間隙に供給されるエネルギー量Ｅ（ｍＪ）は、トリガー放電による火花放電間隙へのエネルギー供給量と、コンデンサ１６２からのエネルギー供給量との和である。コンデンサ１６２の静電容量は、エネルギー量Ｅ（ｍＪ）が、後述する規定量となるように調整されている。また、コンデンサ１６２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１６１の電位の向きやダイオード１６５の向きが設定されている。なお、点火装置１２０に接続された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点火装置１２０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、プラズマジェット点火プラグ１００へ電力の供給が行われる。プラズマジェット点火プラグ１００では電力の供給を受けプラズマが噴出されて、混合気への点火が行われる。以下、混合気への点火を行う際のプラズマジェット点火プラグ１００および点火装置１２０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から点火装置１２０の制御回路部１３０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１６０において、ダイオード１６５により逆流が防止されたコンデンサ１６２と、高電圧発生回路１６１とで閉回路が形成されており、制御回路部１５０の制御に基づきコンデンサ１６２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１３０により火花放電回路部１４０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１６２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、図２に示す、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。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の開口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点火し、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１６２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る。そして、再度、コンデンサ１６２と高電圧発生回路１６１とで閉回路が形成されて、コンデンサ１６２が充電される。制御回路部１３０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。

このように、本実施の形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、中心電極２０と接地電極３０との間に高電圧が印加されて火花放電が行われる。そして、中心電極２０と接地電極３０との間にさらにエネルギーが供給されることにより、放電状態が遷移すると、キャビティ６０内でプラズマが形成される。キャビティ６０内でプラズマが膨張し、圧力が高まると、開口１４より火柱のような形状、いわゆるフレーム状となってプラズマが噴出される。

本実施の形態では、図２に示すように、キャビティ６０から噴出するプラズマの勢いをより強くするため、前述したように、キャビティ６０を、絞り部６３と拡径部６５とからなる二室構造としている。上記したようにキャビティ６０は、絶縁碍子１０の軸孔１２を中心電極２０で塞ぐことにより、絶縁碍子１０の先端面１６の開口１４を外部との連通口とする小部屋として構成されている。キャビティ６０において、絞り部６３は、拡径部６５と外部とを連通する配置となっている。そして絞り部６３は、軸線Ｏ方向に同径で延びる部位（軸線Ｏに沿って真っ直ぐ延びる孔部分）を有し、拡径部６５よりも縮径されていることにより、いわゆる砲身としての機能を果たす。また、拡径部６５は、外部に通ずる経路が絞り部６３によって小さく絞られた袋小路状の小部屋となっている。これにより、内部で発生したプラズマが膨張する過程における圧力の損失が低減される。

この構造により、キャビティ６０内で発生したプラズマは、膨張する際に、特に拡径部６５において圧力が高められる。さらに外部へ向けて噴出する際に、径の細い絞り部６３を通過することによって、噴出時の勢いが増す。そしてこのプラズマは、軸線Ｏ方向に延びる絞り部６３の形状に導かれ、開口１４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。上記のように、絞り部６３は軸線Ｏ方向に同径で延びる部位を有する。このためにプラズマは、噴出方向が軸線Ｏに揃えられ、噴出時の勢いが増加される。従ってプラズマは、高いエネルギーを保ったまま噴出長さが長くなり、燃焼室内の混合気に対し高い着火性を得ることができるのである。なお、プラズマが高いエネルギーを持ったまま噴出されるため、噴出時には開口１４が高温高圧に曝される。プラズマによる開口１４の欠けを防止するため、開口１４のエッジ部分に面取り加工を施してもよい。こうした場合においても絞り部６３が、いわゆる砲身としての機能を果たすためには、真っ直ぐ延びる孔部分が、少なくとも絞り部６３の軸線Ｏ方向における長さの８０％以上の長さを有することが好ましい。

このように、高い着火性を得ることができるフレーム状のプラズマを噴出できるように、本実施の形態では、後述する評価試験の結果に基づいて、キャビティ６０の各部の大きさ等に、以下に示す規定を設けている。ここで、図２に示すように、軸線Ｏ方向において、拡径部６５の長さをＸ、絞り部６３の長さをＹ、接地電極３０の連通孔３１の長さ（すなわち接地電極３０の厚み）をＺとする。また、拡径部６５の内径をＡ、絞り部６３の内径をＢ、連通孔３１の内径をＣ、中心電極２０の先端部２１の外径（すなわち先端面２６の直径）をＤとする。さらに、絞り部６３の軸線Ｏ方向と直交する断面積をＳ、キャビティ６０の容積をＶとする。なお、キャビティ６０の容積Ｖは、中心電極２０の先端面２６よりも軸線Ｏ方向先端側における絞り部６３および拡径部６５の合計の容積を指すものとする。本実施の形態では、キャビティ６０の容積Ｖが１５ｍｍ^３未満であり、Ｂ＜Ａを満たすこと、ならびにＸ≦Ｙを満たすことを規定している。また、Ａ≦φ４．０（ｍｍ）を満たすこと、φ０．５≦Ｂ≦φ１．５（ｍｍ）を満たすことを規定している。さらに、Ｚ＜Ｘ＋Ｙ≦３．０（ｍｍ）を満たすこと、Ｘ≦Ａを満たすこと、Ｂ≦Ｃを満たすことを規定している。また、０≦Ｄ−Ｂ≦２（ｍｍ）を満たすこと、０．０１＜Ｓ／Ｖ≦０．４を満たすことを規定している。

まず、Ｂ＜Ａを満たすこと、つまりキャビティ６０の拡径部６５の内径Ａよりも絞り部６３の内径Ｂが小さいことが望ましい。このようにすれば、上記したように、キャビティ６０内で発生したプラズマが膨張する過程において、特に拡径部６５における圧力の損失が低減される。このため、プラズマが絞り部６３を介して外部に噴出する際に、勢いよく噴出するのに十分な圧力を得ることができる。

また、キャビティ６０の容積Ｖは１５ｍｍ^３未満であることが望ましい。キャビティ６０に供給するエネルギー量を一定としたままキャビティ６０の容積Ｖを大きくすると、キャビティ６０内におけるプラズマの密度が低下する。従ってキャビティ６０の容積Ｖを大きくした場合、キャビティ６０内でプラズマが膨張して圧力を十分に高めるためには、より高いエネルギーの供給を行う必要が生ずる。

次に、軸線Ｏ方向における絞り部６３の長さＹは、拡径部６５の長さＸ以上となることが好ましい。拡径部６５よりも径の細い絞り部６３が、軸線Ｏ方向に拡径部６５よりも長く形成されることによって、噴出時のプラズマが軸線Ｏ方向に伸びる火柱状（フレーム状）となるように、プラズマの形状を導くことができる。また、プラズマの噴出方向が軸線Ｏに揃えられて噴出時の勢いが増加するため、高いエネルギーを保ったままでプラズマの噴出長さを長くでき、燃焼室内の混合気に対し高い着火性を得ることができる。

次に、キャビティ６０の拡径部６５の内径Ａは、φ４．０（ｍｍ）以下となることが好ましい。拡径部６５の内径Ａが大きくなると、発生したプラズマは、拡径部６５内で径方向に広がってしまい、圧力を損失する。このため、プラズマは、絞り部６３を介して外部に勢いよく噴出し難くなる。

また、絞り部６３の内径Ｂは、φ０．５（ｍｍ）以上、φ１．５（ｍｍ）以下となることが好ましい。絞り部６３の内径Ｂがφ０．５（ｍｍ）より小さいと、絞り部６３を介してプラズマが外部に噴出する際に、プラズマにかかる負荷が大きく、エネルギーの損失が大きくなる。また、プラズマの噴出時の外径が細くなって、着火性の低下を招く虞がある。一方、絞り部６３の内径Ｂがφ１．５（ｍｍ）より大きいと、拡径部６５において十分にプラズマの圧力が高められたとしても、噴出時に、絞り部６３にてプラズマの断面あたりの圧力を高め難くなる。するとプラズマは、十分な噴出長さを得られなくなり、着火性の低下を招く虞がある。

また、軸線Ｏ方向における拡径部６５と絞り部６３の合計の長さＸ＋Ｙ、すなわちキャビティ６０の深さは、３．０ｍｍ以下であることが好ましい。キャビティ６０の深さが深くなるほど、キャビティ６０内で発生したプラズマが、キャビティ６０内で軸線Ｏ方向に広がってしまい、圧力を損失しやすい。すると、開口１４から外部に噴出するプラズマの勢いが低下する虞がある。

また、プラズマは、開口１４から外部に向けて噴出する際に接地電極３０の連通孔３１を通るため、実際には接地電極３０よりも外方にて混合気への点火が行われることとなる。従ってプラズマは、開口１４から噴出後、接地電極３０の先端面３２よりも軸線Ｏ方向先端側において、高いエネルギーを維持できることが望ましい。具体的にはＺ＜Ｘ＋Ｙ（ｍｍ）が満たされれば、混合気に対する高い着火性を得ることができ、好ましい。

次に、拡径部６５の形状について、拡径部６５の軸線Ｏ方向の長さＸは、拡径部６５の内径Ａ以下の大きさであることが好ましい。Ｘ＞Ａであると、拡径部６５が径方向よりも軸線Ｏ方向に長く延びる小部屋形状となる。するとプラズマが膨張する際に、絞り部６３側に向けて（軸線Ｏ方向に）プラズマの圧力が広がりやすくなる。このためプラズマは、噴出時の勢いが低下する虞がある。

また、接地電極３０の連通孔３１の内径Ｃは、絞り部６３の内径Ｂ以上の大きさであることが好ましい。プラズマの噴出方向は絞り部６３によって軸線Ｏ方向に揃えられるため、連通孔３１の内径Ｃが絞り部６３の内径Ｂと同じか、それより大きければ、噴出時にプラズマが接地電極３０と接触し難くなる。従って、接地電極３０によってプラズマの熱が奪われ難くなり、着火性の低下を抑制することができる。

また、中心電極２０の先端部２１の外径Ｄと絞り部６３の内径Ｂとの差、Ｄ−Ｂが、０≦Ｄ−Ｂ≦２（ｍｍ）であることが望ましい。プラズマの発生時には中心電極２０と接地電極３０との間で火花放電が行われるが、Ｄ−Ｂが大きくなるほど、絞り部６３において、火花放電の経路上に絶縁碍子１０が、より大きく張り出す形態となる。Ｄ−Ｂが２ｍｍより大きくなると、火花放電によって、絞り部６３の内周面が削られる、いわゆるチャンネリングが発生しやすくなり、放電の安定性の低下や絶縁碍子１０の耐熱性の低下を招く虞がある。一方、Ｄ−Ｂが０ｍｍ未満となると、プラズマ噴出時の圧力が、軸線Ｏ方向後端側（つまり噴出方向の反対側）へ逃げて損失しやすくなる。するとプラズマは、十分な噴出長さを得られなくなり、着火性の低下を招く虞がある。

また、キャビティ６０の容積Ｖに対する絞り部６３の断面積Ｓの割合（Ｓ／Ｖ）が、０．０１より大きく、０．４以下となることが望ましい。絞り部６３の断面積Ｓが小さくなるのに対してキャビティ６０の容積Ｖが大きくなれば、プラズマが、絞り部６３を介して外部に噴出する際に、発生したプラズマの総量に対する時間あたりの流量が絞られ過ぎてしまうこととなる。これにより、エネルギーの損失が大きくなる。具体的に、Ｓ／Ｖが０．０１以下となると、プラズマの噴出が効率よく行われず、着火性の低下を招く虞がある。一方、キャビティ６０の容積Ｖが小さくなるのに対して絞り部６３の断面積Ｓが大きくなれば、キャビティ６０内で発生するプラズマが膨張する際に、プラズマの圧力が絞り部６３を介して抜けてしまう。具体的に、Ｓ／Ｖが０．４より大きくなると、プラズマの噴出時の勢いが低下し、着火性の低下を招く虞がある。

さらに、キャビティ６０の容積Ｖに対する電源からの供給エネルギー量Ｅの割合（Ｅ／Ｖ）は、３以上２００以下となることが望ましい。供給エネルギー量Ｅが少なくなるのに対してキャビティ６０の容積Ｖが大きくなれば、キャビティ６０内で発生するプラズマが高い圧力を得るのにあたって、キャビティ６０の容積Ｖに見合う量のエネルギーを得られない。具体的にＥ／Ｖが３未満では、キャビティ６０内でプラズマが十分に圧力を高められず、噴出時の勢いが低下し、着火性の低下を招く虞がある。一方、キャビティ６０の容積Ｖに対して供給エネルギー量Ｅを増やしていけば、発生するプラズマのエネルギーも増加し、着火性が向上していくが、Ｅ／Ｖが２００を超えると飽和状態となる。電極消耗を抑制するためにも、Ｅ／Ｖは２００以下とすることが望ましい。

このように、キャビティ６０を構成する絞り部６３および拡径部６５、さらに接地電極３０のそれぞれの軸線Ｏ方向の長さや内径に規定を設けることで、プラズマを開口１４より勢いよく噴出させ、混合気への着火性を向上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、絞り部６３の内径Ｂと拡径部６５の内径Ａとの大小関係による着火性の良否について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、キャビティの拡径部の内径Ａをφ２．０ｍｍ、絞り部の内径Ｂをφ１．０ｍｍとした絶縁碍子を用い、プラズマジェット点火プラグのサンプル１−２を作製した。同様に、拡径部の内径Ａをφ１．０ｍｍ、絞り部の内径Ｂをφ２．０ｍｍとした絶縁碍子を用いてプラズマジェット点火プラグのサンプル１−３を作製した。また、比較例として、径差を同一とした（拡径部の内径Ａおよび絞り部の内径Ｂをそれぞれφ１．０ｍｍとした）絶縁碍子を用いてプラズマジェット点火プラグのサンプル１−１を作製した。なお、いずれのサンプルも、軸線Ｏ方向における拡径部の長さＸおよび絞り部の長さＹを、それぞれ１．０ｍｍとした。また、接地電極には、厚みＺが１．０ｍｍで連通孔の内径Ｃがφ２．０ｍｍのものを用いた。

そして各サンプルを個別に試験用の６気筒エンジンに取り付け、１５０ｍＪのエネルギー量を供給可能な点火装置を接続した。そして、空気と燃料の混合比（空燃比）が、まず、例えば１９となるように制御した混合気をエンジンに供給し、２０００ｒｐｍで運転を行う。このとき、燃焼圧をモニタリングし、その波形から、１０００回の点火のうち失火した回数が１０回未満（１％未満）であれば、次に、空燃比を１９．５となるように制御した混合気をエンジンに供給し、同様に点火状況の確認を行う。以後、供給する混合気の空燃比を０．５刻みで高めていき、１０００回の点火のうち失火した回数が１０回以上（１％以上）であったときの空燃比を、着火限界空燃比とする。このような手順によって各サンプルの着火限界空燃比について確認した結果を表１に示す。

表１に示すように、絞り部の内径Ｂと拡径部の内径Ａとを同一（Ｂ＝Ａ）としたサンプル１−１の着火限界空燃比は、２０．０であった。また、拡径部の内径Ａよりも絞り部の内径Ｂを小さく（Ｂ＜Ａ）したサンプル１−２の着火限界空燃比は２４．５となり、サンプル１−１の着火限界空燃比に対して２２．５％向上した。一方、拡径部の内径Ａよりも絞り部の内径Ｂを大きく（Ｂ＞Ａ）したサンプル１−３の着火限界空燃比は１９．５となり、サンプル１−１の着火限界空燃比に対して２．５％低下した。従って、キャビティの絞り部の内径Ｂを拡径部の内径Ａよりも小さくすれば、プラズマジェット点火プラグの着火性が向上することがわかった。

［実施例２］
次に、キャビティの容積Ｖによる着火性の良否について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、絞り部の内径Ｂ、拡径部の長さＸおよび絞り部の長さＹをそれぞれ同一とし、拡径部の内径Ａのみを異ならせることにより、キャビティの容積Ｖの異なる３つの絶縁碍子を用意し、プラズマジェット点火プラグのサンプル２−１〜２−３を作製した。具体的に、サンプル２−１〜２−３は、拡径部の内径Ａをそれぞれφ３．５，φ３．７５，φ４．０（ｍｍ）とした。また、絞り部の内径Ｂ，拡径部の長さＸ，絞り部の長さＹは、各サンプルとも共通に、それぞれφ０．５，１．５，１．５（ｍｍ）とした。また、各サンプルとも、接地電極には、厚みＺが１．０ｍｍで連通孔の内径Ｃがφ２．０ｍｍのものを用いた。各サンプルに対し、実施例１と同様の評価試験を行って、それぞれの着火限界空燃比を確認した。この試験の結果を表２に示す。

表２に示すように、キャビティの容積Ｖが１４．７２ｍｍ^３となったサンプル２−１では、着火限界空燃比が２４．０となり、サンプル１−１（表１参照）の着火限界空燃比に対して２０．０％の向上が見られた。しかし、キャビティの容積Ｖが１６．８５，１９．１３（ｍｍ^３）となったサンプル２−２，２−３の着火限界空燃比は、それぞれ２１．０，２０．５であり、サンプル１−１の着火限界空燃比に対する向上率は、それぞれ５．０，２．５（％）であった。従って、キャビティの容積Ｖを大きくするほど着火限界空燃比が低くなることがわかった。この試験の結果より、プラズマジェット点火プラグの着火性を向上するには、キャビティの容積Ｖを１５ｍｍ^３未満とすればよいことがわかった。

［実施例３］
次に、拡径部の長さＸと、絞り部の長さＹとの大小関係による着火性の良否について確認するための評価試験を行った。この評価試験では、拡径部の内径Ａおよび絞り部の内径Ｂをそれぞれφ２．０，φ１．０（ｍｍ）とし、拡径部の長さＸおよび絞り部の長さＹをそれぞれ異ならせた３つの絶縁碍子を用いてプラズマジェット点火プラグのサンプル３−１〜３−３を作製した。具体的に、サンプル３−１は、拡径部の長さＸおよび絞り部の長さＹを、共に１．５ｍｍとした。また、サンプル３−２では、Ｘを２．０ｍｍ、Ｙを１．０ｍｍとし、サンプル３−３では、Ｘを１．０ｍｍ、Ｙを２．０ｍｍとした。そして、各サンプルとも共通に、接地電極には、厚みＺが１．５ｍｍで連通孔の内径Ｃがφ２．０ｍｍのものを用いた。なお、各サンプルとも、キャビティの容積Ｖは１５ｍｍ^３未満である。これらの各サンプルに対し、実施例１と同様の評価試験を行って、それぞれの着火限界空燃比を確認した。この試験の結果を表３に示す。

表３に示すように、サンプル３−１〜３−３は、拡径部の長さＸと絞り部の長さＹとの和（Ｘ＋Ｙ）を３．０ｍｍとしつつ、両者の比を異ならせたものである。拡径部の長さＸと絞り部の長さＹとを同一（Ｘ＝Ｙ）としたサンプル３−１では、着火限界空燃比が２４．０となり、サンプル１−１（表１参照）の着火限界空燃比に対し２０．０％向上した。また、拡径部の長さＸを絞り部の長さＹよりも小さく（Ｘ＜Ｙ）したサンプル３−３も同様に、着火限界空燃比が２４．０となった。しかし、拡径部の長さＸを絞り部の長さＹよりも大きく（Ｘ＞Ｙ）したサンプル３−２では、着火限界空燃比が２１．０に低下し、サンプル１−１の着火限界空燃比に対し、５．０％向上しただけであった。従って、拡径部の長さＸを絞り部の長さＹ以下とすれば、プラズマジェット点火プラグの着火性が、より向上することがわかった。

［実施例４］
次に、拡径部の内径Ａの大きさによる着火性の良否について確認するための評価試験を行った。この評価試験においても、絞り部の内径Ｂ、拡径部の長さＸおよび絞り部の長さＹをそれぞれ同一とし、拡径部の内径Ａのみを異ならせた２つの絶縁碍子を用いてプラズマジェット点火プラグのサンプル４−１，４−２を作製した。具体的に、サンプル４−１，４−２は、拡径部の内径Ａをそれぞれφ４．０，φ４．５（ｍｍ）とした。また、絞り部の内径Ｂ，拡径部の長さＸ，絞り部の長さＹを、サンプル４−１，４−２とも共通に、φ０．５，０．５，２．５（ｍｍ）とした。なお、両サンプルともキャビティの容積Ｖは１５ｍｍ^３未満である。また、両サンプルとも、接地電極には、厚みＺが１．０ｍｍで連通孔の内径Ｃがφ２．０ｍｍのものを用いた。両サンプルに対し実施例１と同様の評価試験を行って、それぞれの着火限界空燃比を確認した。この試験の結果を表４に示す。

表４に示すように、拡径部の内径Ａをφ４．０ｍｍとしたサンプル４−１では、着火限界空燃比が２４．５となり、サンプル１−１（表１参照）の着火限界空燃比に対して２２．５％向上した。しかし、サンプル４−２のように拡径部の内径Ａをφ４．５ｍｍとすると、着火限界空燃比が２０．０となり、サンプル１−１の着火限界空燃比と変わらなかった。従って、プラズマジェット点火プラグの着火性を向上するには、拡径部の内径Ａの大きさをφ４．０ｍｍ以下とすればよいことがわかった。

［実施例５］
次に、絞り部の内径Ｂの大きさによる着火性の良否について確認するための評価試験を行った。この評価試験では、拡径部の内径Ａ、拡径部の長さＸおよび絞り部の長さＹをそれぞれ同一とし、絞り部の内径Ｂのみを異ならせた４つの絶縁碍子を用いてプラズマジェット点火プラグのサンプル５−１〜５−４を作製した。具体的に、サンプル５−１〜５−４は、絞り部の内径Ｂをそれぞれφ０．３，φ０．５，φ１．５，φ１．８（ｍｍ）とした。また、拡径部の内径Ａ，拡径部の長さＸ，絞り部の長さＹを、サンプル５−１〜５−４とも共通に、φ２．０，１．０，１．０（ｍｍ）とした。なお、各サンプルともキャビティの容積Ｖは１５ｍｍ^３未満である。また、各サンプルとも、接地電極には、厚みＺが１．０ｍｍで連通孔の内径Ｃがφ２．０ｍｍのものを用いた。各サンプルに対し実施例１と同様の評価試験を行って、それぞれの着火限界空燃比を確認した。この試験の結果を表５に示す。

表５に示すように、絞り部の内径Ｂをφ０．５ｍｍとしたサンプル５−２やφ１．５としたサンプル５−３の着火限界空燃比は、それぞれ２４．５，２４．０となり、サンプル１−１（表１参照）の着火限界空燃比に対してそれぞれ２２．５，２０．０（％）向上した。しかし、絞り部の内径Ｂをφ０．５ｍｍよりも小さくし、φ０．３ｍｍとしたサンプル５−１では、着火限界空燃比が２０．５に低下し、サンプル１−１の着火限界空燃比に対し２．５％向上しただけであった。また、絞り部の内径Ｂをφ１．５ｍｍよりも大きくし、φ１．８ｍｍとしたサンプル５−４でも、着火限界空燃比が２１．０に低下し、サンプル１−１の着火限界空燃比に対し５．０％向上しただけであった。従って、プラズマジェット点火プラグの着火性を向上するには、絞り部の内径Ｂを、φ０．５ｍｍ以上φ１．５ｍｍ以下とすればよいことがわかった。

［実施例６］
次に、拡径部の長さＸと絞り部の長さＹの和の大きさによる着火性の良否について確認するための評価試験を行った。この評価試験では、拡径部の内径Ａおよび絞り部の内径Ｂをそれぞれφ２．０，φ１．０（ｍｍ）とし、拡径部の長さＸおよび絞り部の長さＹをそれぞれ異ならせた５つの絶縁碍子を用いてプラズマジェット点火プラグのサンプル６−１〜６−５を作製した。具体的に、サンプル６−１〜６−５は、拡径部の長さＸと絞り部の長さＹとをそれぞれ以下のように組み合わせた。サンプル６−１ではＸを１．５ｍｍ、Ｙを２．０ｍｍとし、サンプル６−２ではＸ、Ｙ共に２．０ｍｍとした。また、サンプル６−３ではＸ、Ｙ共に１．０ｍｍとした。そして、サンプル６−４，６−５ではＸ、Ｙ共に０．５ｍｍとした。さらに、サンプル６−１〜６−３では、接地電極として厚みＺが１．５ｍｍで連通孔の内径Ｃがφ２．０ｍｍのものを用い、サンプル６−４，６−５では、その接地電極の厚みＺをそれぞれ１．０ｍｍ，０．８ｍｍとしたものを用いた。なお、各サンプルとも、キャビティの容積Ｖは１５ｍｍ^３未満である。各サンプルに対し実施例１と同様の評価試験を行って、それぞれの着火限界空燃比を確認した。この試験の結果を表６に示す。なお、比較例として、表６には、サンプル３−１，３−３（表３参照）およびサンプル１−２（表１参照）を掲載した。

表６に示すように、サンプル６−１〜６−３は、Ｘ≦Ｙを満たしたまま、Ｘ＋Ｙを異ならせたものである。Ｘ＝Ｙを満たし、Ｘ＋Ｙを２．０ｍｍとしたサンプル６−３では、着火限界空燃比が２３．５となり、サンプル１−１（表１参照）の着火限界空燃比に対し１７．５％向上した。一方、Ｘ＋Ｙを４．０ｍｍとしたサンプル６−２では、着火限界空燃比が２０．０となり、サンプル１−１の着火限界空燃比に対する向上は見られなかった。これらサンプル６−２，６−３と、サンプル３−１（Ｘ＋Ｙ＝３．０（ｍｍ））とを比較すれば、Ｘ＋Ｙを大きくしすぎると着火限界空燃比が低下することがわかる。さらに、Ｘ＜Ｙである場合について、Ｘ＋Ｙを３．５ｍｍとしたサンプル６−１では着火限界空燃比が２１．０となり、サンプル１−１の着火限界空燃比に対し５．０％向上しただけであった。サンプル６−１をサンプル３−３と比較した場合も同様に、Ｘ＋Ｙを大きくしすぎると着火限界空燃比が低下することがわかる。このことからＸ＋Ｙを３．０ｍｍ以下とすれば、プラズマジェット点火プラグの着火性が向上することがわかった。

なお、サンプル６−３とサンプル１−２（表１参照）とは、拡径部と絞り部の大きさが同じながら接地電極の厚みＺのみが異なる。具体的に、サンプル６−３ではＺが１．５ｍｍであり、サンプル１−２ではＺが１．０ｍｍとなっている。両サンプルの着火性を比較すると、サンプル６−３はサンプル１−２に対し着火限界空燃比が若干低下したものの、共に良好な結果が得られている。そして、両サンプルともＺ＜Ｘ＋Ｙを満たすが、Ｘ＋Ｙに対しＺが大きくなると着火性が低下する傾向がみられる。さらにＸ＋Ｙを１．０ｍｍ、Ｚを１．０ｍｍ（Ｚ＝Ｘ＋Ｙ）としたサンプル６−４は、着火限界空燃比が２０．５となり、サンプル１−１の着火限界空燃比に対して２．５％向上しただけであった。しかし、サンプル６−４に対し、拡径部と絞り部の大きさを同じとしたままＺを小さくし、０．８ｍｍ（Ｚ＜Ｘ＋Ｙ）としたサンプル６−５では、着火限界空燃比が２３．０となり、サンプル１−１の着火限界空燃比に対して１５．０％向上した。このことからＺ＜Ｘ＋Ｙとすれば、プラズマジェット点火プラグの着火性が向上することがわかった。

［実施例７］
次に、拡径部の長さＸと内径Ａとの大きさの関係による着火性の良否について確認するための評価試験を行った。この評価試験では、Ｘ＋Ｙが３．０ｍｍとなるように拡径部の長さＸと絞り部の長さＹとを異ならせつつも、拡径部の内径Ａおよび絞り部の内径Ｂを一定とした３つの絶縁碍子を用いてプラズマジェット点火プラグのサンプル７−１〜７−３を作製した。具体的に、サンプル７−１〜７−３では、拡径部の内径Ａ，絞り部の内径Ｂを、各サンプルとも共通に、φ１．０，φ０．５（ｍｍ）とした。そしてサンプル７−１では、Ｘを０．５ｍｍ、Ｙを２．５ｍｍとし、サンプル７−２では、Ｘを１．０ｍｍ、Ｙを２．０ｍｍとした。また、サンプル６−３では、Ｘを１．２５ｍｍ、Ｙを１．７５ｍｍとした。なお、各サンプルとも、接地電極には、厚みＺが１．０ｍｍで連通孔の内径Ｃがφ２．０ｍｍのものを用いた。各サンプルに対し実施例１と同様の評価試験を行って、それぞれの着火限界空燃比を確認した。この試験の結果を表７に示す。

表７に示すように、Ｘ＜Ａを満たすサンプル７−１，Ｘ＝Ａを満たすサンプル７−２は、着火限界空燃比がそれぞれ２４．５，２４．０となり、サンプル１−１（表１参照）の着火限界空燃比に対し、それぞれ２２．５，２０．０（％）向上した。しかし、Ｘ＞Ａとなるサンプル７−３は着火限界空燃比が２１．５となり、サンプル１−１の着火限界空燃比に対して７．５％向上しただけであった。このことからＸ≦Ａとすれば、プラズマジェット点火プラグの着火性が向上することがわかった。

［実施例８］
次に、接地電極の連通孔の内径Ｃの大きさの違いによる着火性の良否について確認するための評価試験を行った。この評価試験では、キャビティが同一（サンプル３−３（表３参照）と同一のキャビティで、拡径部の内径Ａがφ２．０ｍｍ、長さＸが１．０ｍｍ、絞り部の内径Ｂがφ１．０ｍｍ、長さＹが２．０ｍｍであるもの。）で、接地電極の連通孔の内径Ｃのみが異なる３つのプラズマジェット点火プラグのサンプル８−１〜８−３を用意した。そして、サンプル８−１，８−２，８−３では、接地電極の連通孔の内径Ｃを、それぞれφ０．５ｍｍ，φ１．０ｍｍ，φ１．５ｍｍとした。なお、各サンプルとも接地電極の厚みＺは１．０ｍｍである。各サンプルに対し実施例１と同様の評価試験を行って、それぞれの着火限界空燃比を確認した。この試験の結果を表８に示す。

表８に示すように、Ｂ＞Ｃであるサンプル８−１では着火限界空燃比が２０．５となり、サンプル１−１（表１参照）の着火限界空燃比に対して２．５％向上しただけであった。しかし、Ｂ＝Ｃであるサンプル８−２や、Ｂ＜Ｃであるサンプル８−３では、着火限界空燃比がそれぞれ２４．０，２５．０となり、サンプル１−１の着火限界空燃比に対してそれぞれ２０．０，２５．０（％）の向上がみられた。このことからＢ≦Ｃが満たされることによって、プラズマジェット点火プラグの着火性が向上することがわかった。

［実施例９］
次に、中心電極の先端部の外径と絞り部の内径との径差の違いによる着火性の良否について確認するための評価試験を行った。この評価試験では、拡径部の内径Ａがφ２．０ｍｍ、長さＸが１．０ｍｍ、絞り部の内径Ｂがφ１．０ｍｍ、長さＹが１．０ｍｍの絶縁碍子を用い、中心電極の先端部の外径Ｄを０．６〜１．２（ｍｍ）の範囲で異ならせた４種類のプラズマジェット点火プラグのサンプル９−１〜９−４を用意した。さらに、拡径部の内径Ａがφ３．０ｍｍ、長さＸが１．０ｍｍ、絞り部の内径Ｂがφ０．５ｍｍ、長さＹが１．０ｍｍの絶縁碍子を用い、中心電極の先端部の外径Ｄを２．２〜２．６（ｍｍ）の範囲で異ならせた３種類のプラズマジェット点火プラグのサンプル９−５〜９−７を用意した。なお、各サンプルとも接地電極の連通孔の内径Ｃはφ１．０ｍｍで、厚みＺは１．０ｍｍである。

各サンプルに対し実施例１と同様の評価試験を行って、それぞれの着火限界空燃比を確認した。さらに、各サンプルに対し、０．６ＭＰａに加圧したチャンバー内で、１秒間に６０回の火花を発生させる点火試験を３０時間行った。そして、点火試験後に各サンプルを解体し、チャンネリングの発生により絶縁碍子に生じた溝の深さを三次元レーザ測定器で測定した。チャンネリングによる溝の深さが０．２ｍｍ未満のサンプルは、良好と判断して「◎」と評価した。また、チャンネリングによる溝の深さが０．２〜０．４ｍｍのサンプルは、チャンネリングが発生したものの軽度であり、使用する上で問題はないと判断して「○」と評価した。一方、チャンネリングによる溝の深さが０．４ｍｍ以上のサンプルは、使用する上で問題があると判断して「×」と評価した。この試験の結果を表９に示す。

表９に示すように、Ｄ−Ｂが０以上のサンプル９−３〜９−７では、着火限界空燃比が２４以上となり、サンプル１−１（表１参照）の着火限界空燃比に対して２０．０％以上向上した。しかし、Ｄ−Ｂが０未満のサンプル９−１，９−２では、着火限界空燃比２２．５以下であり、空燃比は１０．０〜１２．５％向上しただけであった。一方、Ｄ−Ｂが大きくなるに従い、チャンネリングによる溝の深さが深くなっていく傾向が見られた。特に、Ｄ−Ｂが２．０より大きなサンプル９−７では、チャンネリングによる評価が×となり、プラズマジェット点火プラグの耐久性の面で好ましくないことが分かった。このことから０≦Ｄ−Ｂ≦２（ｍｍ）とすれば、プラズマジェット点火プラグの着火性が向上し、また耐久性の面でも良好であることがわかった。

［実施例１０］
次に、キャビティの容積に対する絞り部の断面積の割合の違いによる着火性の良否について確認するための評価試験を行った。この評価試験では、拡径部の内径Ａがφ４．０ｍｍ、長さＸが２．０ｍｍ、絞り部の内径Ｂがφ０．５ｍｍ、長さＹが１．０ｍｍの絶縁碍子を用い、連通孔の内径Ｃがφ１．０ｍｍ、厚みＺが１．５ｍｍの接地電極を組み付けたプラズマジェット点火プラグのサンプル１０−１を用意した。サンプル１０−１のＳ／Ｖは０．００８となった。また、他の評価試験で作製したプラズマジェット点火プラグのサンプルのデータからＳ／Ｖを求め、その値が０．０１０〜０．４４８の範囲で異なるサンプルを選び、着火性についてサンプル１０−１と比較した。この試験の結果を表１０に示す。

表１０に示すように、Ｓ／Ｖが０．０１以下のサンプル１０−１，２−３では、着火限界空燃比が２０．５となり、空燃比は２．５％向上しただけであった。また、Ｓ／Ｖが０．４より大きなサンプル５−４でも、着火限界空燃比は２１．０となり、空燃比が５．０％向上しただけであった。しかし、Ｓ／Ｖが０．０１より大きく０．４以下であるサンプル２−１，６−３，４−１，６−５は、着火限界空燃比が、おおむね２３．０以上であり、１５．０％以上の空燃比向上率を得られた。このことから０．０１＜Ｓ／Ｖ≦０．４とすれば、プラズマジェット点火プラグの着火性が向上することがわかった。

［実施例１１］
次に、キャビティの容積に対する電源からの供給エネルギー量の割合の違いによる着火性の良否について確認するための評価試験を行った。この評価試験では、他の評価試験に用いたサンプル６−１，６−２，２−１を、それぞれ個別に試験用の６気筒エンジンに取り付け、点火装置に接続した。点火装置は、プラズマ放電回路部のコンデンサを適宜取り替えることで、１回の点火において３０〜３００ｍＪの範囲で６段階のエネルギー量を供給できるようにした。そして、各サンプルに対し、実施例１と同様の評価試験を行って、各エネルギー量ごとに、着火限界空燃比を確認した。この試験の結果を表１１に示す。また、Ｅ／Ｖと空燃比向上率との関係を図１１の片対数グラフに示す。

表１１に示すように、各サンプル６−１，６−２，２−１は、それぞれキャビティの容積Ｖが異なる。各サンプルとも、供給されるエネルギー量Ｅが増加するに従って、着火限界空燃比が増加した。図１１に示すように、サンプル６−１，６−２では、Ｅ／Ｖが１００前後で空燃比向上率が２０％に達した。そして図１１の片対数グラフから、Ｅ／Ｖが２００を超えると、空燃比向上率の増加具合はほぼ横ばい状態となり、飽和状態となることがわかった。電極消耗を抑制するためにも、Ｅ／Ｖは２００以下とすることが望ましい。また、図１１に示すように、サンプル２−１によると、Ｅ／Ｖが３より大きければ、空燃比向上率は１０％よりは向上することがわかる。このことから、３＜Ｅ／Ｖ≦２００とすれば、プラズマジェット点火プラグの着火性が向上し、また耐久性の面でも良好であることがわかった。

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、図４に示すプラズマジェット点火プラグ２００のように、接地電極２３０の連通孔２３１の内径Ｃが、キャビティ６０の絞り部６３の内径Ｂと同一であってもよい。また、キャビティ６０の拡径部６５の内径Ａを拡径あるいは縮径する場合、軸孔１２の電極収容部１５の内径や先端小径部６１の内径（すなわち絞り部６３の内径Ｂ）をそのままとしてもよい。例えば図５に示すプラズマジェット点火プラグ３００のように、キャビティ３６０の拡径部３６５の内径Ａを、電極収容部１５の内径、すなわち中心電極２０の外径よりも大きくしてもよい。あるいは図６に示すプラズマジェット点火プラグ４００のように、キャビティ４６０の拡径部４６５の内径Ａを、電極収容部１５の内径、すなわち中心電極２０の外径よりも小さくしてもよい。この場合においてＢ＜Ａは満たされるようにする。

また、図７に示すプラズマジェット点火プラグ５００のように、キャビティ５６０の拡径部５６５を、内径の小さな第１拡径部５６６と、それより内径の大きな第２拡径部５６７とからなる２段構成としてもよい。もちろん、３段以上としてもよいし、あるいは図８に示すプラズマジェット点火プラグ６００のキャビティ６６０の拡径部６６５のように、内周面をテーパ状に形成してもよい。こうした場合において、拡径部の内径Ａは、拡径部を構成する部位のうち最も内径が大きい部位における内径をもって規定すればよい。例えば図７のプラズマジェット点火プラグ５００であれば、第２拡径部５６７の内径を拡径部の内径Ａとして規定すればよい。同様に図８のプラズマジェット点火プラグ６００であれば、テーパ状をなす内周面の最も拡径された部位（図８の場合は電極収容部１５との接続部位）における内径を、拡径部の内径として規定すればよい。

また、図９に示すプラズマジェット点火プラグ７００のように、主体金具７５０の先端部７５９に取り付けられる接地電極３０と、絶縁碍子１０の先端面１６とは必ずしも密着していなくともよく、両者の間に間隙が設けられてもよい。キャビティ６０内で形成されるプラズマは噴出時の方向が絞り部６３によって軸線Ｏ方向に揃えられるため、こうした間隙があっても着火性への影響は生じにくい。

また、図１０に示すプラズマジェット点火プラグ８００のように、接地電極８３０の連通孔８３１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８３５で形成してもよい。プラズマジェット点火プラグには接地電極と中心電極との間に高いエネルギーが供給されるため、こうした電極チップを接地電極や中心電極に設ければ耐火花消耗性を高めることができ、プラズマジェット点火プラグの寿命を延ばすことができる。

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い。拡径部６５や絞り部６３の長さＸ，Ｙや内径Ａ，Ｂが、上記の条件を満たせば、電極収容部１５と同径に形成してもよいし、あるいは電極収容部１５よりも大きな内径に形成してもよい。

また、点火装置１２０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に限らず、ＣＤＩ式、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。

１０絶縁碍子
２０中心電極
２５電極チップ
２６先端面
３０接地電極
３１連通孔
６０キャビティ
６１先端小径部
６３絞り部
１００プラズマジェット点火プラグ
２００プラズマジェット点火プラグ
２３０接地電極
２３１連通孔
３００プラズマジェット点火プラグ
３６０キャビティ
３６５拡径部
４００プラズマジェット点火プラグ
４６０キャビティ
４６５拡径部
５００プラズマジェット点火プラグ
５６０キャビティ
５６５拡径部
５６６第１拡径部
５６７第２拡径部
６００プラズマジェット点火プラグ
６６０キャビティ
６６５拡径部
７００プラズマジェット点火プラグ
８００プラズマジェット点火プラグ
８３０接地電極
８３１連通孔

特開２００６−２９４２５７号公報

本発明の第１態様によれば、中心電極と、軸線方向に延びる軸孔を有し、当該軸孔内に、前記中心電極の先端面を収容しつつ前記中心電極を保持すると共に、前記軸孔の先端側に、前記軸孔の内周面と前記中心電極の先端面とを壁面とし、キャビティとしての凹部が形成された絶縁碍子と、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、前記絶縁碍子よりも先端側に設けられた接地電極とを備え、前記中心電極と前記接地電極との間で行う放電に伴い前記凹部内にてプラズマを生ずるプラズマジェット点火プラグにおいて、前記絶縁碍子の前記凹部は、少なくとも前記軸線方向に同径で延びる部位を有し、前記絶縁碍子の先端側の開口に連続する絞り部と、前記絞り部に連続し、前記絞り部から前記中心電極の先端面に向けて径が徐々に拡径された拡径部とから構成されたプラズマジェット点火プラグが提供される。

第１態様のプラズマジェット点火プラグでは、キャビティ内で生じたプラズマが、噴出に至る前に、キャビティ内で膨張することとなる。このとき、キャビティの外部に通ずる絞り部の内径が拡径部より小さく構成され、更に、絞り部から中心電極の先端面に向けて拡径部の径が徐々に拡径されている。従って、拡径部の径は絞り部に向けて徐々に小さくなる形状であるため、拡径部内で膨張するプラズマの圧力の損失が抑えられ、
プラズマの絞り部へ向けての噴出時の勢いを強め、混合気への着火性をより向上することができる。また、絞り部は、内径が同径のままで軸線方向に延びる区間を有する。このため、噴出時にプラズマが絞り部を通過すると、プラズマは軸線付近に集められる。さらにプラズマは、その噴出方向が軸線方向に揃えられる。これにより、プラズマの噴出時の圧力がより高められるので、プラズマの勢いを強めることができる。さらに、プラズマの噴出方向が揃えられることにより、噴出後にプラズマが広がってしまい、プラズマのエネルギーが低下してしまうことを抑制することができる。従ってプラズマの噴出長さをより長くすることができ、混合気への着火性をより向上することができる。

また、本発明の第２態様のプラズマジェット点火プラグによれば、拡径部よりも径の細い絞り部は、その長さが、軸線方向において拡径部と同じ長さか、それよりも長くなるように、形成されるとよい。すなわちＸ≦Ｙが満たされるとよい。このようにすれば、プラズマが絞り部を通過した際にその形状を整え、軸線方向に伸びる火柱状（フレーム状）となるようにすることができる。また、このときプラズマは、噴出方向が軸線方向に揃えられるので、噴出時の勢いが増加する。これによりプラズマは、高いエネルギーを保ったままでプラズマ自身の噴出長さを長くできる。従ってプラズマは、燃焼室内の混合気に対し高い着火性を得ることができる。

さらに、本発明の第３態様のプラズマジェット点火プラグによれば、上記第１又は第２態様のプラズマジェット点火プラグの前記凹部は、前記拡径部における内径で最も大きな部位の内径をＡとしたときに、Ａ≦φ４．０（ｍｍ）を満たすとともに、前記絞り部における内径で最も小さな部位の内径をＢとしたときに、φ０．５≦Ｂ≦φ１．５（ｍｍ）を満たすとよい。

さらに、本発明の第４態様のプラズマジェット点火プラグは、上記第２態様のプラズマジェット点火プラグの、前記接地電極は、板状の電極で、前記凹部と外気とを連通する連通孔を有し、前記軸線方向において、前記接地電極の厚みをＺとしたときに、Ｚ＜Ｘ＋Ｙ≦３．０（ｍｍ）を満たすとよい。

さらに、本発明の第５態様のプラズマジェット点火プラグは、上記第２又は第４態様のプラズマジェット点火プラグが、Ｘ≦Ａを満たすとよい。

さらに、本発明の第６態様のプラズマジェット点火プラグは、上記第３態様のプラズマジェット点火プラグの前記接地電極の前記連通孔の内径をＣとしたときに、Ｂ≦Ｃを満たすとよい。

さらに、本発明の第７態様のプラズマジェット点火プラグは、上記第３又は第６態様のプラズマジェット点火プラグの前記中心電極の先端部の外径をＤとしたときに、０≦Ｄ−Ｂ≦２（ｍｍ）を満たすとよい。

さらに、本発明の第８態様のプラズマジェット点火プラグは、上記第１乃至第７態様のプラズマジェット点火プラグの前記絞り部の前記軸線方向と直交する断面積をＳ（ｍｍ^２）、前記凹部の容積をＶ（ｍｍ^３）としたときに、０．０１＜Ｓ／Ｖ≦０．４を満たすとよい。

また、本発明の第９態様によれば、上記第８態様のプラズマジェット点火プラグと、前記プラズマジェット点火プラグに点火のためのエネルギーを供給する電源とを備え、前記電源から供給される供給エネルギーの量をＥ（ｍＪ）としたときに、３≦Ｅ／Ｖ≦２００を満たす、プラズマジェット点火プラグの点火装置が提供される。

Claims

中心電極と、
軸線方向に延びる軸孔を有し、当該軸孔内に、前記中心電極の先端面を収容しつつ前記中心電極を保持すると共に、前記軸孔の先端側に、前記軸孔の内周面と前記中心電極の先端面とを壁面とし、容積が１５ｍｍ^３未満のキャビティとしての凹部が形成された絶縁碍子と、
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、前記絶縁碍子よりも先端側に設けられた接地電極と
を備え、
前記中心電極と前記接地電極との間で行う放電に伴い前記凹部内にてプラズマを生ずるプラズマジェット点火プラグにおいて、
前記絶縁碍子の前記凹部は、
少なくとも前記軸線方向に同径で延びる部位を有し、前記絶縁碍子の先端側の開口に連続する絞り部と、
前記絞り部に連続し、前記絞り部よりも拡径されるとともに、前記中心電極の先端面が自身の内部に露出された拡径部と
から構成され、
前記軸線方向において、前記拡径部の長さをＸ、前記絞り部の長さをＹとしたときに、
Ｘ≦Ｙ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。
前記凹部は、
前記拡径部における内径で最も大きな部位の内径をＡとしたときに、Ａ≦φ４．０（ｍｍ）を満たすとともに、
前記絞り部における内径で最も小さな部位の内径をＢとしたときに、φ０．５≦Ｂ≦φ１．５（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。
前記接地電極は、板状の電極で、前記凹部と外気とを連通する連通孔を有し、
前記軸線方向において、前記接地電極の厚みをＺとしたときに、
Ｚ＜Ｘ＋Ｙ≦３．０（ｍｍ）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。
Ｘ≦Ａを満たすことを特徴とする請求項２に記載のプラズマジェット点火プラグ。
前記接地電極の前記連通孔の内径をＣとしたときに、
Ｂ≦Ｃを満たすことを特徴とする請求項２または４に記載のプラズマジェット点火プラグ。
前記中心電極の先端部の外径をＤとしたときに、
０≦Ｄ−Ｂ≦２（ｍｍ）を満たすことを特徴とする請求項２、４または５のいずれかに記載のプラズマジェット点火プラグ。
前記絞り部の前記軸線方向と直交する断面積をＳ（ｍｍ^２）、前記凹部の容積をＶ（ｍｍ^３）としたときに、
０．０１＜Ｓ／Ｖ≦０．４を満たすことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のプラズマジェット点火プラグ。
請求項７に記載のプラズマジェット点火プラグと、
前記プラズマジェット点火プラグに点火のためのエネルギーを供給する電源と
を備え、
前記電源から供給される供給エネルギーをＥ（ｍＪ）としたときに、
３≦Ｅ／Ｖ≦２００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の点火装置。