JP2014107096A - プラズマ点火プラグ及び内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマをより大きく成長させ、優れた着火性を実現する。
【解決手段】点火プラグ１は、軸線ＣＬ１方向に延びる軸孔４を有する絶縁碍子２と、軸孔４の先端側に挿設される中心電極５と、絶縁碍子２の外周に設けられた主体金具３と、主体金具３に固定され、中心電極５との間で間隙２８を形成する接地電極２７とを備え、間隙２８に対する電力の供給により間隙２８にてプラズマを発生させる。接地電極２７の側面には、溝部２９が設けられている。軸線ＣＬ１及び接地電極２７の中心軸ＣＬ２と平行な平面ＶＳ１に対して、間隙２８を含む両電極５，２７に挟まれた間隙領域ＧＡと溝部２９とを投影したとき、溝部２９の投影部分２９Ｘは間隙領域ＧＡの投影部分ＧＡＸに向けて延びており、溝部２９の投影部分２９Ｘを通る直線ＶＬ１と、軸線ＣＬ１に直交する直線ＶＬ２とのなす角のうち鋭角の角度αが２０°以下とされる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、電力の投入によりプラズマを生成するプラズマ点火プラグ、及び、プラズマ点火プラグを備える内燃機関に関する。

内燃機関等に使用される点火プラグは、例えば、軸線方向に延びる中心電極と、中心電極の外周に設けられる絶縁体と、絶縁体の外周に設けられる筒状の主体金具と、基端部が主体金具の先端部に接合された接地電極とを備えている。そして、中心電極に高電圧を印加することにより、中心電極と接地電極との間に形成された間隙において火花放電を生じさせ、その結果、燃料ガスに対する着火がなされるようになっている。

さらに近年では、着火性の向上を図るべく、高電圧に代えて、高周波電力を前記間隙に投入し、プラズマを生成することで、燃料ガスに対する着火を行うプラズマ点火プラグが提案されている（例えば、特許文献１等参照）。また、高電圧を印加することで生じた火花放電に対して高周波電力を投入することにより、プラズマを生成する手法も提案されている。

特開２００９−８１００号公報

ところで、一般的な点火プラグにおいては、直線的に生じる火花放電により燃料ガスに対する着火がなされる。これに対して、プラズマ点火プラグにおいては、空間的な広がりを有する、体積の比較的大きなプラズマにより燃料ガスに対する着火がなされる。従って、プラズマ点火プラグにおいて着火性の向上を図るためには、プラズマをいかに大きな成長させるかが重要となる。

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、プラズマをより大きく成長させることができ、優れた着火性を実現することができるプラズマ点火プラグ、及び、これを有する内燃機関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．本構成のプラズマ点火プラグは、軸線方向に延びる軸孔を有する筒状の絶縁体と、
前記軸孔の先端側に挿設される中心電極と、
前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
自身の基端部が前記主体金具の先端部に固定され、自身の先端部と前記中心電極の先端部との間で間隙を形成する接地電極とを備え、
前記間隙に対する電力の供給により、前記間隙にてプラズマを発生させるプラズマ点火プラグであって、
前記接地電極の側面には、溝部が設けられており、
前記軸線及び前記接地電極の中心軸と平行な平面に対して、前記軸線と直交する方向に沿って前記間隙を含む前記両電極に挟まれた間隙領域と前記溝部とを投影したとき、前記溝部の投影部分は前記間隙領域の投影部分に向けて延びており、前記溝部の投影部分を通る直線と、前記軸線に直交する直線とのなす角のうち鋭角の角度αが２０°以下であることを特徴とする。

尚、「間隙領域」は、中心電極のうち接地電極との間で最短距離を形成する部位と、接地電極のうち中心電極との間で最短距離を形成する部位とに挟まれた領域、及び、中心電極のうち接地電極との間の距離が前記最短距離よりも若干（例えば、最短距離に対し５％程度）大きくなる部位と、接地電極のうち中心電極との間の距離が前記最短距離よりも若干（例えば、最短距離に対し５％程度）大きくなる部位とに挟まれた領域からなる領域ということができる。

上記構成１によれば、接地電極が燃料ガスの上流方向側に配置されている場合には、接地電極の側面に設けられた溝部へと燃料ガス等の流れる気体が入り込むこととなり、溝部を通って前記気体を間隙へとより確実に案内することができる。従って、間隙における気体の流れを速くすることができ、この流れの速い気体によって間隙にて生成されたプラズマを大きく成長させることができる。

さらに、接地電極が燃料ガスの下流方向側に配置されている場合には、間隙に流入した燃料ガス等が溝部を通ってスムーズに排出されることとなり、ひいては間隙に対する燃料ガス等の流入速度を増大させることができる。従って、間隙における気体の流れを速くすることができ、この流れの速い気体によって生成されたプラズマを大きく成長させることができる。

以上のように、上記構成１によれば、接地電極の配置位置が異なる場合であっても、プラズマを大きく成長させることができ、優れた着火性を実現することができる。

尚、間隙における気体の流速を高めるという点では、例えば、接地電極に、間隙に向けて延びる貫通孔を設けることが考えられる。しかしながら、貫通孔を設けた場合には、接地電極の機械的強度が低下してしまう。そのため、応力が加わった際に、接地電極が折損してしまうおそれがある。

この点、上記構成１によれば、接地電極の側面に形成された溝部により、間隙における気体の流速増大が図られているため、接地電極において良好な機械的強度を確保することができる。従って、優れた着火性を実現しつつ、接地電極の折損をより確実に防止することができる。

構成２．本構成のプラズマ点火プラグは、上記構成１において、前記溝部の延伸方向と直交する断面において、前記接地電極の外形線のうち前記溝部を形成する溝部形成線と、当該溝部形成線の両端を結んだ直線とで囲まれた領域の面積が０．０５ｍｍ²以上であることを特徴とする。

上記構成２によれば、溝部を通過する気体をより増大させることができ、間隙における気体の流れを一層速くすることができる。その結果、プラズマをより効果的に成長させることができ、一層優れた着火性を実現することができる。

構成３．本構成のプラズマ点火プラグは、上記構成１又は２において、前記溝部の延伸方向と直交する断面において、前記接地電極の外形線のうち前記溝部を形成する溝部形成線の端部には、テーパ状の面取り部、及び、外側に凸の湾曲状をなす湾曲部の少なくとも一方が設けられることを特徴とする。

上記構成３によれば、溝部の延びる方向と交差する方向に流れる気体を溝部内へと入り込みやすくすることができる。従って、間隙に案内される気体を一層増大させることができ、間隙を流れる気体の流速をさらに増大させることができる。その結果、プラズマを一層大きく成長させることができ、着火性をさらに高めることができる。

構成４．本構成のプラズマ点火プラグは、上記構成１乃至３のいずれかにおいて、前記溝部の延伸方向と直交する断面において、前記接地電極の外形線のうち前記溝部の底面を形成する線は、前記接地電極の中心軸側に向けて凸の湾曲状をなすことを特徴とする。

溝部の底面に角部が形成されている場合には、接地電極に対して応力が加わった際に、前記角部に対して応力が集中してしまうおそれがある。角部に応力が集中してしまうと、角部を起点とした接地電極の破損が生じてしまうおそれがある。

この点、上記構成４によれば、溝部の底面が湾曲状をなしており、溝部の底面に角部が形成されないように構成されている。従って、応力が加わった際における、接地電極の破損を一層確実に防止することができる。

構成５．本構成の内燃機関は、上記構成１乃至４のいずれかに記載のプラズマ点火プラグを備え、燃料ガスが流れる燃焼室内に前記間隙が配置された内燃機関であって、
前記軸線と直交する平面に対して、前記軸線を通り燃料ガスの流れ方向に延びる方向線と、前記接地電極の基端部とを前記軸線に沿って投影したとき、前記軸線及び前記基端部の投影部分の中心を通る直線と、前記方向線の投影線とが交差することを特徴とする。

尚、「前記軸線及び前記基端部の投影部分の中心を通る直線と、前記方向線の投影線とが交差する」とあるのは、換言すれば、前記直線と前記投影線とが同一線上に位置していないといえる。

上記構成５によれば、間隙に対する気体（燃料ガス）の流入が、接地電極によって阻害されてしまうことをより確実に防止できる。従って、間隙における気体の流速を十分に増大させることができ、プラズマをより一層大きく成長させることができる。その結果、一層優れた着火性を実現することができる。

さらに、上記構成５によれば、プラズマが成長していく方向（間隙における燃料ガスの流れ方向）に、接地電極が存在しないように構成されている。従って、プラズマの成長が、接地電極によって阻害されてしまうことをより確実に防止でき、ひいては着火性をより一層確実に向上させることができる。

構成６．本構成の内燃機関は、上記構成５において、前記軸線と直交する平面に対して、前記軸線を通り燃料ガスの流れ方向に延びる方向線と、前記接地電極の基端部とを前記軸線に沿って投影したとき、前記軸線及び前記基端部の投影部分の中心を通る直線と前記方向線の投影線とのなす角のうち、前記燃料ガスの上流方向側に位置する角の角度が９０°未満であることを特徴とする。

上記構成５によれば、接地電極が、燃料ガスの上流方向側に配置されるように構成されている。従って、燃料ガスがより確実に溝部に入り込むこととなり、間隙へと案内される燃料ガスをより増大させることができる。その結果、間隙における気体の流速をより増大させることができ、着火性をより一層高めることができる。

点火システムの概略構成を示すブロック図である。 点火プラグの構成を示す一部破断正面図である。 （ａ）は、点火プラグの先端部の構成を示す拡大正面図であり、（ｂ）は、点火プラグの先端部の構成を示す拡大背面図である。 角度αを説明するための投影図である。 溝部の別例を示す拡大正面図である。 溝部の別例を示す拡大正面図である。 溝部の別例を示す拡大正面図である。 溝部形成線や溝部形成線等により形成される領域を示す拡大端面図である。 溝部形成線等により形成される領域形状の別例を示す拡大端面図である。 溝部形成線等により形成される領域形状の別例を示す拡大端面図である。 点火プラグの取付けられた内燃機関を示す一部破断拡大正面図である。 角度θを説明するための投影図である。 試験方法を説明するためのチャンバー等の模式図である。 角度αと平均増加距離との関係を示すグラフである。 １本の溝部を設けたサンプルにおける、高周波電力の投入から１ｍｓ後の平均増加距離を示すグラフである。 １本の溝部を設けたサンプルにおける、高周波電力の投入から３ｍｓ後の平均増加距離を示すグラフである。 ２本の溝部を設けたサンプルにおける、高周波電力の投入から１ｍｓ後の平均増加距離を示すグラフである。 ２本の溝部を設けたサンプルにおける、高周波電力の投入から３ｍｓ後の平均増加距離を示すグラフである。 角度θと平均増加距離との関係を示すグラフである。 別の実施形態における、点火プラグの先端部の構成を示す拡大正面図である。 別の実施形態における、点火プラグの先端部の構成を示す拡大正面図である。 溝部形成線の端部に設けられたテーパ部等を示す拡大端面図である。 溝部形成線の端部に設けられた湾曲部等を示す拡大端面図である。

以下に、一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、点火システム３１の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、点火システム３１は、内燃機関ＥＮに取付けられたプラズマ点火プラグ（以下、単に「点火プラグ」と称す）１と、放電用電源４１と、高周波電源５１と、混合回路６１と、制御部７１とを備えている。尚、図１では、点火プラグ１を１つのみ示しているが、実際の内燃機関ＥＮには複数の気筒が設けられ、各気筒に対応して点火プラグ１が設けられる。そして、放電用電源４１や高周波電源５１からの電力が、図示しないディストリビュータを介して各点火プラグ１に供給されるようになっている。尚、点火プラグ１ごとに、放電用電源４１や高周波電源５１を設けることとしてもよい。

点火プラグ１の説明に先立って、まず、放電用電源４１等について説明する。

放電用電源４１は、点火プラグ１に対して高電圧を印加し、後述する間隙２８にて火花放電を生じさせるものである。本実施形態において、放電用電源４１は、一次コイル４２、二次コイル４３、コア４４、及び、イグナイタ４５を備えている。

一次コイル４２は、前記コア４４を中心に巻回されており、その一端が電力供給用のバッテリＶＡに接続されるとともに、その他端がイグナイタ４５に接続されている。また、二次コイル４３は、前記コア４４を中心に巻回されており、その一端が一次コイル４２及びバッテリＶＡ間に接続されるとともに、その他端が混合回路６１を介して点火プラグ１に接続されている。

加えて、イグナイタ４５は、所定のトランジスタにより形成されており、前記制御部７１から入力される通電信号に応じて、バッテリＶＡから一次コイル４２に対する電力の供給及び供給停止を切り替える。点火プラグ１に高電圧を印加する場合には、バッテリＶＡから一次コイル４２に電流を流し、前記コア４４の周囲に磁界を形成した上で、制御部７１からの通電信号をオンからオフに切り替えることにより、バッテリＶＡから一次コイル４２に対する通電を停止する。通電の停止により、前記コア４４の磁界が変化し、二次コイル４３に負極性の高電圧（例えば、５ｋＶ〜３０ｋＶ）が発生する。この高電圧が点火プラグ１（間隙２８）に印加されることで、間隙２８において火花放電を発生させることができる。

高周波電源５１は、点火プラグ１に対して比較的高周波数（例えば、１ＭＨｚ以上２０ＭＨｚ以下）の電力（本実施形態では、交流電力）を供給するものである。また、高周波電源５１と混合回路６１との間にはインピーダンスマッチング回路（整合器）３３が設けられている。当該インピーダンスマッチング回路３３により、高周波電源５１側の出力インピーダンスと、間隙２８において火花放電が生じているときにおける混合回路６１や点火プラグ１（すなわち、負荷）側の入力インピーダンスとが一致するように構成されており、点火プラグ１側へと供給される高周波電力の減衰防止が図られている。尚、高周波電源５１から点火プラグ１までの高周波電力の伝送路は、内部導体と当該内部導体の外周に配置された外部導体とを有する同軸ケーブルによって構成されており、その結果、電力の反射防止が図られている。

混合回路６１は、放電用電源４１から出力される高電圧の伝送路３２Ａと、高周波電源５１から出力される高周波電力の伝送路３２Ｂとを、点火プラグ１に接続される１つの伝送路３２Ｃにまとめるものであり、コイル６２とコンデンサ６３とを備えている。コイル６２においては、放電用電源４１から出力される比較的低周波数の電流が通過可能とされる一方で、高周波電源５１から出力される比較的高周波数の電流が通過不能とされており、高周波電源５１から出力される電流の放電用電源４１側への流入が抑制されている。一方で、コンデンサ６３においては、高周波電源５１から出力される比較的高周波数の電流が通過可能とされる一方で、放電用電源４１から出力される比較的低周波数の電流が通過不能とされており、放電用電源４１から出力される電流の高周波電源５１側への流入が抑制されている。尚、前記二次コイル４３をコイル６２の代わりとして用い、コイル６２を省略することとしてもよい。

制御部７１は、所定の電子制御装置（ＥＣＵ）８１により構成されており、放電用電源４１や高周波電源５１から点火プラグ１に対する電力の投入タイミングを制御する。本実施形態において、制御部７１は、放電用電源４１からの電圧により間隙２８において火花放電を生じさせたときに、高周波電源５１からの高周波電力を間隙２８に投入することで、間隙２８にてプラズマを発生できるように構成されている。

次いで、点火プラグ１の構成を説明する。

図２に示すように、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。尚、図２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。

絶縁碍子２は、周知のようにアルミナ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側に膨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、大部分の脚長部１３は、主体金具３の内部に収容されている。また、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が挿設されている。中心電極５は、棒状をなしており、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とする合金により構成されている。また、中心電極５は、その先端が、絶縁碍子２の先端から軸線ＣＬ１方向先端側へと突出するとともに、その先端部に、耐消耗性に優れる金属〔例えば、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、タングステン（Ｗ）、パラジウム（Ｐｄ）、又は、これらの少なくとも一種を主成分とする合金など〕からなる円柱状の中心電極側チップ５Ｃを備えている。尚、中心電極５の内部に、熱伝導性に優れる金属（例えば、銅や銅合金、純Ｎｉなど）からなる内層を設けることとしてもよい。この場合には、中心電極５の熱引きが向上し、耐消耗性の更なる向上を図ることができる。

さらに、軸孔４の後端側には、炭素鋼等の金属により形成された棒状の端子電極６が挿設されている。端子電極６の後端部は、絶縁碍子２の後端から突出しており、混合回路６１の出力（伝送路３２Ｃ）と電気的に接続されている。

さらに、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部７が配設されている。当該ガラスシール部７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。

前記主体金具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を内燃機関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よりも後端側には鍔状の座部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を内燃機関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。

また、主体金具３の内周面には、径方向内側に向けて突出形成された環状の段部２１が設けられている。そして、絶縁碍子２は、主体金具３に対してその後端側から先端側に向けて挿入され、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、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、燃焼室内に晒される絶縁碍子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、図３（ａ），（ｂ）に示すように、主体金具３の先端部２６には、Ｎｉを主成分とする合金により形成され、略中間部分にて曲げ返された棒状の接地電極２７が設けられている。接地電極２７は、その基端部２７Ｋが主体金具３に接合されるとともに、その先端部に、耐消耗性に優れる金属（例えば、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｗ、Ｐｄ、又は、これらの少なくとも一種を主成分とする合金など）からなる直方体状の接地電極側チップ２７Ｃを備えている。さらに、接地電極側チップ２７Ｃの先端面は、中心電極５の先端部（中心電極側チップ５Ｃ）の外周面と対向しており、中心電極５の先端部（中心電極側チップ５Ｃ）と、接地電極２７の先端部（接地電極側チップ２７Ｃ）との間には、間隙２８が形成されている。当該間隙２８に高電圧が印加されることによって、間隙２８において軸線ＣＬ１にほぼ直交する方向で火花放電が生じるようになっている。

加えて、接地電極２７のうち中心電極５側の面に隣接する両側面２７Ｓ１，２７Ｓ２のそれぞれには、溝部２９が設けられている。本実施形態では、図４に示すように、軸線ＣＬ１及び接地電極２７の中心軸ＣＬ２（図３参照）と平行な平面ＶＳ１に対して、軸線ＣＬ１と直交する方向に沿って溝部２９と間隙２８を含む両電極５，２７に挟まれた間隙領域ＧＡ（図３中、斜線を付した領域をいう）とを投影したとき、溝部２９の投影部分２９Ｘは、前記間隙領域ＧＡの投影部分ＧＡＸ（図４中、斜線を付した部位）に向けて延びるように構成されている。また、前記平面ＶＳ１において、溝部２９の投影部分２９Ｘを通る直線ＶＬ１と、軸線ＣＬ１に直交する直線ＶＬ２とのなす角のうち鋭角の角度αが２０°以下とされている。尚、本実施形態において、間隙領域ＧＡは、中心電極５のうち接地電極２７との間で最短距離を形成する部位と、接地電極２７のうち中心電極５との間で最短距離を形成する部位とに挟まれた領域をいう。但し、接地電極側チップ２７の先端面（中心電極５の先端部外周面に対する対向面）が、中心電極５の先端部外周に対して傾斜している場合等において、間隙領域ＧＡは、両電極５，２７のうち前記最短距離を形成する部位同士に挟まれた前記領域、及び、中心電極５のうち接地電極２７との間の距離が前記最短距離よりも若干（例えば、最短距離に対し５％程度）大きくなる部位と、接地電極２７のうち中心電極５との間の距離が前記最短距離よりも若干（例えば、最短距離に対し５％程度）大きくなる部位とに挟まれた領域からなる領域をいう。

尚、溝部の構成は、溝部の投影部分が間隙領域ＧＡの投影部分に向けて延びるとともに、角度αが２０°以下となる限り適宜変更可能であり、例えば、図５に示すように、角度αが０°となる（直線ＶＬ１，ＶＬ２が平行となる）ように溝部９１を構成してもよい。また、図６に示すように、溝部９２が、接地電極２７の基端部２７Ｋ側から間隙２８側へと延びるように構成してもよい。

さらに、接地電極２７の両側面２７Ｓ１，２７Ｓ２のうち少なくとも一方の側面に、溝部を複数設けてもよい。従って、例えば、図７に示すように、接地電極２７の側面２７Ｓ２に、溝部９３を３本設けてもよい。

また、本実施形態では、図８に示すように、溝部２９の延伸方向と直交する断面において、接地電極２７の外形線２７ＬＮのうち溝部２９を形成する溝部形成線２９ＬＮと、当該溝部形成線２９ＬＮの両端を結んだ直線ＶＬ３とで囲まれた領域ＡＲ１（図８中、散点模様を付した部位であり、溝部２９の断面形状ということができる）が、矩形状をなすように構成されている。そして、前記領域ＡＲ１の面積（すなわち、溝部２９の断面積）は０．０５ｍｍ²以上とされている。

尚、溝部形成線２９ＬＮと直線ＶＬ３とで囲まれた領域の形状（溝部の断面形状）は特に限定されるものではなく、例えば、図９に示すように、溝部形成線２９ＬＮと直線ＶＬ３とで囲まれた領域ＡＲ２（図９中、散点模様を付した部位）が三角形状であってもよい。また、図１０に示すように、接地電極２７の外形線２７ＬＮのうち溝部２９の底面を形成する線２９ＢＬが、接地電極２７の中心軸ＣＬ２側に向けて凸の湾曲状をなすように構成し（つまり、溝部２９の底面に角部が形成されないように構成し）、溝部形成線２９ＬＮと直線ＶＬ３とで囲まれた領域ＡＲ３（図１０中、散点模様を付した部位）が半円形状をなすように構成してもよい。

さらに、本実施形態では、図１１（図１１中において太線で示す矢印は、燃料ガスの流れ方向を示す）に示すように、点火プラグ１が取付けられた内燃機関ＥＮにおいて、内燃機関ＥＮの燃焼室ＥＲ内に、間隙２８が位置するように構成されている。そして、主体金具３のうち接地電極２７が固定された部位に対するねじ部１５のねじ山の相対的な形成位置を、内燃機関ＥＮの取付孔ＨＯに形成された雌ねじ部ＦＳの切り始めの位置等に対応した位置とすることで、点火プラグ１を内燃機関ＥＮに組付けたときに、燃焼室ＥＲに対して燃料ガスを供給する燃料供給装置ＦＪと間隙２８との間に接地電極２７が配置されないように構成されている。すなわち、図１２（図１２中において太線で示す矢印は、燃料ガスの流れ方向を示す）に示すように、軸線ＣＬ１と直交する平面ＶＳ２に対して、軸線ＣＬ１を通り燃料ガスの流れ方向に延びる方向線ＦＬと、接地電極２７の基端部２７Ｋとを軸線ＣＬ１に沿って投影したとき、軸線ＣＬ１及び基端部２７Ｋの投影部分２７ＫＸ（図１２中、散点模様を付した部位）の中心２７ＫＰを通る直線ＶＬ４と、方向線ＦＬの投影線ＦＬＸとが交差する（換言すれば、直線ＶＬ４と投影線ＦＬＸとが重ならない）ように構成されている。

加えて、本実施形態では、接地電極２７の基端部２７Ｋは、燃料ガスの上流方向側に配置されるように構成されている。つまり、前記直線ＶＬ４と方向線ＦＬの投影線ＦＬＸとのなす角のうち、燃料ガスの上流方向側に位置する角の角度θが９０°未満となる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、接地電極２７の側面２７Ｓ１，２７Ｓ２に設けられた溝部２９へと燃料ガス等の流れる気体が入り込むこととなり、溝部２９を通って前記気体を間隙２８へとより確実に案内することができる。従って、間隙２８における気体の流れを速くすることができ、この流れの速い気体によって間隙２８にて生成されたプラズマを大きく成長させることができる。その結果、優れた着火性を実現することができる。

尚、本実施形態では、接地電極２７が燃料ガスの上流方向側に配置されているが、接地電極２７が下流方向側に配置された場合には、間隙２８に流入した燃料ガス等が溝部２９を通ってスムーズに排出されることとなり、ひいては間隙２９に対する燃料ガス等の流入速度を増大させることができる。従って、間隙２９における気体の流れを速くすることができ、この流れの速い気体によって生成されたプラズマを大きく成長させることができる。その結果、良好な着火性を得ることができる。

さらに、前記領域ＡＲ１の面積（溝部２９の断面積）が０．０５ｍｍ²以上とされているため、溝部２９を通過する気体をより増大させることができ、間隙２８における気体の流れを一層速くすることができる。その結果、プラズマをより効果的に成長させることができ、一層優れた着火性を実現することができる。

加えて、本実施形態では、点火プラグ１の取付けられた内燃機関ＥＮにおいて、直線ＶＬ４と投影線ＦＬＸとが交差するように構成されている。従って、間隙２８に対する気体（燃料ガス）の流入が接地電極２７によって阻害されてしまうこと、及び、プラズマの成長が接地電極によって阻害されてしまうことをより確実に防止できる。これにより、一層優れた着火性を実現することができる。

また、角度θが９０°未満とされており、接地電極２７が、燃料ガスの上流方向側に配置されるように構成されている。従って、燃料ガスがより確実に溝部２９に入り込むこととなり、間隙２８へと案内される燃料ガスをより増大させることができる。その結果、間隙２８における気体の流速をより増大させることができ、着火性をより一層高めることができる。

加えて、接地電極２７の外形線２７ＬＮのうち溝部２９の底面を形成する線２９ＢＬを湾曲状とした場合には、接地電極２７に応力が加わった際に、溝部２９の一部に応力が集中してしまうことをより確実に防止できる。これにより、応力が加わった際における、接地電極２７の破損をより確実に防止することができる。

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、接地電極の側面に溝部を設けることなく、平坦状とした点火プラグのサンプル（溝なしサンプル）と、接地電極の側面に１本の溝部を設けるとともに、前記角度α（°）を種々変更した点火プラグのサンプル（溝ありサンプル）とを５本ずつ作製し、各サンプルについてプラズマ成長確認試験を行った。

プラズマ成長確認試験の概要は次の通りである。すなわち、図１３（図１３中において太線で示す矢印は、エアの流れ方向を示す）に示すように、内部にエアの流れる所定のチャンバーＣＨに対してサンプルを取付けた上で、間隙に対して高電圧を印加するとともに、高周波電力を投入することにより、間隙にてプラズマを生成した。そして、高周波電力の投入から３ｍｓ後にプラズマを撮像するとともに、得られた撮像画像に基づいて、溝なしサンプルにおけるプラズマ移動距離（より詳しくは、プラズマのうち間隙の中心より最も離間する部位から、間隙の中心までの最短距離）と、溝ありサンプルにおけるプラズマ移動距離とを測定した。さらに、溝なしサンプルにおけるプラズマ移動距離の平均値（基準距離）を求めるとともに、溝ありサンプルのそれぞれにおいて、前記基準距離に対するプラズマ移動距離の増加距離を算出し、さらに、角度αを同一とした５本のサンプルにおける前記増加距離の平均値（平均増加距離）を求めた。ここで、平均増加距離が１．５ｍｍ以上となったサンプルは、プラズマの成長が極めて顕著であり、非常に優れた着火性を有するとして「☆」の評価を下すこととした。また、平均増加距離が０．９ｍｍ以上１．５ｍｍ未満となったサンプルは、プラズマの成長が顕著であり、優れた着火性を有するとして、「◎」の評価を下すこととし、平均増加距離が０．３ｍｍ以上０．９ｍｍ未満となったサンプルは、プラズマが十分に成長し、良好な着火性を有するとして「○」の評価を下すこととした。一方で、平均増加距離が０．３ｍｍ未満となったサンプルは、プラズマの成長が不十分であり、着火性に劣るとして「×」の評価を下すこととした。

表１及び図１４に、当該試験の試験結果を示す。尚、各サンプルともに、接地電極の幅を２．７ｍｍとするとともに、接地電極の厚さを１．３ｍｍとした。また、サンプルの間隙とチャンバー内へのエアの供給口との間に接地電極が位置する状態とした（つまり、前記角度θを０°とした）。

表１及び図１４に示すように、角度αを２０°以下としたサンプルは、良好な着火性を有することが明らかとなった。これは、溝部により、間隙に対してエアがより確実に案内され、間隙における気体の流れが速くなったことによると考えられる。

また特に、角度αを１０°以下とすることで、着火性が一層向上し、角度αを５°以下とすることで、着火性がより一層向上することが確認された。

上記試験の結果より、プラズマの成長を促進し、良好な着火性を得るという観点から、接地電極の側面に角度αが２０°以下となる溝部を設けることが好ましいといえる。

次に、接地電極の側面に、断面積（溝部外形線と当該溝部外形線の両端を結んだ直線とで囲まれた領域の面積）が種々異なる１本又は２本の溝部を設けてなる点火プラグのサンプルを作製し、各サンプルについて、上述のプラズマ成長確認試験を行った。尚、当該試験では、間隙に対する高周波電力の投入から３ｍｓ後における平均増加距離に加えて、間隙に対する高周波電力の投入から１ｍｓ後における平均増加距離も求めた。

図１５に、１本の溝部を設けたサンプルにおける、高周波電力の投入から１ｍｓ後の平均増加距離を示し、図１６に、１本の溝部を設けたサンプルにおける、高周波電力の投入から３ｍｓ後の平均増加距離を示す。また、図１７に、２本の溝部を設けたサンプルにおける、高周波電力の投入から１ｍｓ後の平均増加距離を示し、図１８に、２本の溝部を設けたサンプルにおける、高周波電力の投入から３秒後の平均増加距離を示す。尚、溝部は、その断面形状を半円形状、三角形状、又は、矩形状をなすように構成した。図１５〜１８においては、溝部の断面形状を半円形状としたサンプルの試験結果を丸印で示し、溝部の断面形状を三角形状としたサンプルの試験結果を三角印で示し、溝部の断面形状を矩形状としたサンプルの試験結果を四角印で示す。

尚、各サンプルともに、接地電極の幅を２．７ｍｍとするとともに、接地電極の厚さを１．３ｍｍとした。また、サンプルの間隙とチャンバー内へのエアの供給口との間に接地電極が位置する状態とした（つまり、前記角度θを０°とした）。さらに、溝部を１本設けたサンプルでは、角度αを０°とした。加えて、溝部を２本設けたサンプルでは、一方の溝部における角度αを０°とし、他方の溝部における角度αを２０°とした。尚、角度αを２０°とした溝部は、接地電極の基端部から間隙側に延びるように構成した。

図１５〜１８に示すように、溝部の断面積を０．０５ｍｍ²以上とすることで、プラズマを効果的に成長できることが分かった（特に、高周波電力の投入から３ｍｓ後には、溝部の断面積を０．０５ｍｍ²以上とすることによる効果が明確に確認された）。これは、間隙に案内されるエアがより増大し、間隙における気体の流れが一層速くなったためであると考えられる。

上記試験の結果より、着火性の更なる向上を図るべく、溝部の断面積（溝部外形線と当該溝部外形線の両端を結んだ直線とで囲まれた領域の面積）を０．０５ｍｍ²以上とすることがより好ましいといえる。

次いで、エアの供給口側に接地電極を配置するとともに、前記角度θが種々異なるものとなるように点火プラグのサンプルをチャンバーに取付けた上で、上述のプラズマ成長確認試験を行い、高周波電力の投入から３ｍｓ後における平均増加距離を求めた。尚、当該試験では、平均増加距離が０．９ｍｍ以上１．５ｍｍ以下となったサンプルは、着火性に優れるとして「◎」の評価を下し、平均増加距離が０．３ｍｍ以上０．９ｍｍ未満となったサンプルは、良好な着火性を有するとして「○」の評価を下すこととした。表２及び図１９に、当該試験の結果を示す。

さらに、各サンプルともに、接地電極の幅を２．７ｍｍとするとともに、接地電極の厚さを１．３ｍｍとした。また、溝部は、接地電極の基端部から間隙側に延びるように１本設けるとともに、角度αを２０°とした。

表２及び図１９に示すように、角度θを０°又は９０°とした以外の場合において、優れた着火性を実現できることが分かった。これは、角度θを０°以外としたことで、接地電極に阻害されることなく、エアが間隙に対して直接的に流入し、間隙における気体の流速が増大し、また、角度θを９０°以外としたことで、エアが溝部を通って間隙へとより確実に案内されたためであると考えられる。

上記試験の結果より、着火性を一層向上させるという観点から、点火プラグが取付けられた内燃機関においては、軸線と直交する平面に対して、燃料ガスの流れ方向に延びる方向線と、接地電極の基端部とを軸線に沿って投影したとき、軸線及び前記基端部の投影部分の中心を通る直線と、前記方向線の投影線とが交差するように（つまり、角度θが０°とならないように）構成しつつ、角度θを９０°未満とすることがより好ましいといえる。

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、間隙２８において軸線ＣＬ１にほぼ直交する方向で火花放電が生じるように構成されているが、火花放電の生じる方向は特に限定されるものではない。従って、例えば、図２０及び図２１に示すように、接地電極２７のうち中心電極５側の面が、中心電極５（中心電極側チップ５Ｃ）の先端面と対向するように構成し、間隙２８において軸線ＣＬ１にほぼ沿った方向で火花放電が生じるように構成してもよい。尚、この場合においても、接地電極２７の側面に設けられた溝部９４，９５の構成は、溝部９４，９５の投影部分が間隙領域ＧＡの投影部分に向けて延びるとともに、角度αが２０°以下となる限り適宜変更可能である。

（ｂ）図２２に示すように、溝部形成線２９ＬＮの端部に、溝部２９の開口側に向けて拡幅するテーパ状の面取り部２９Ｔを設けることとしてもよい。また、図２３に示すように、溝部形成線２９ＬＮの端部に、外側に凸の湾曲状をなす湾曲部２９Ｒを設けることとしてもよい。この場合には、溝部２９の延びる方向と交差する方向に流れる気体が溝部２９内に入り込みやすくなり、間隙２８を流れる気体の流速をさらに増大させることができる。その結果、プラズマをより大きく成長させることができ、着火性を一層向上させることができる。

（ｃ）上記実施形態では、間隙２８に対して高電圧を印加した上で、間隙２８に高周波電力を投入することによって、プラズマが生成されるように構成されているが、間隙２８に対して高電圧を印加することなく、高周波電力のみを投入することで、プラズマを生成することとしてもよい。

（ｄ）上記実施形態において、中心電極５は中心電極側チップ５Ｃを有するとともに、接地電極２７は接地電極側チップ２７Ｃを有しているが、両チップのうち少なくとも一方を省略してもよい。

（ｅ）上記実施形態では、主体金具３の先端部２６に、接地電極２７が接合される場合について具体化しているが、主体金具の一部（又は、主体金具に予め溶接してある先端金具の一部）を削り出すようにして接地電極を形成する場合についても適用可能である（例えば、特開２００６−２３６９０６号公報等）。

（ｆ）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。例えば、Ｂｉ−ＨＥＸ（変形１２角）形状〔ＩＳＯ２２９７７：２００５（Ｅ）〕等とされていてもよい。

１…点火プラグ（プラズマ点火プラグ）、２…絶縁碍子（絶縁体）、３…主体金具、４…軸孔、５…中心電極、２７…接地電極、２７Ｋ…（接地電極の）基端部、２７ＬＮ…（接地電極の）外形線、２７Ｓ１，２７Ｓ２…（接地電極の）側面、２８…間隙、２９…溝部、２９ＬＮ…溝部外形線、２９Ｔ…面取り部、２９Ｒ…湾曲部、２９Ｘ…溝部の投影部分、ＣＬ１…軸線、ＣＬ２…（接地電極の）中心軸、ＥＮ…内燃機関、ＥＲ…燃焼室、ＦＬ…方向線、ＧＡ…間隙領域、ＧＡＸ…間隙領域の投影部分。

Claims (6)

1. 軸線方向に延びる軸孔を有する筒状の絶縁体と、
   前記軸孔の先端側に挿設される中心電極と、
   前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
   自身の基端部が前記主体金具の先端部に固定され、自身の先端部と前記中心電極の先端部との間で間隙を形成する接地電極とを備え、
   前記間隙に対する電力の供給により、前記間隙にてプラズマを発生させるプラズマ点火プラグであって、
   前記接地電極の側面には、溝部が設けられており、
   前記軸線及び前記接地電極の中心軸と平行な平面に対して、前記軸線と直交する方向に沿って前記間隙を含む前記両電極に挟まれた間隙領域と前記溝部とを投影したとき、前記溝部の投影部分は前記間隙領域の投影部分に向けて延びており、前記溝部の投影部分を通る直線と、前記軸線に直交する直線とのなす角のうち鋭角の角度αが２０°以下であることを特徴とするプラズマ点火プラグ。
2. 前記溝部の延伸方向と直交する断面において、前記接地電極の外形線のうち前記溝部を形成する溝部形成線と、当該溝部形成線の両端を結んだ直線とで囲まれた領域の面積が０．０５ｍｍ²以上であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ点火プラグ。
3. 前記溝部の延伸方向と直交する断面において、前記接地電極の外形線のうち前記溝部を形成する溝部形成線の端部には、テーパ状の面取り部、及び、外側に凸の湾曲状をなす湾曲部の少なくとも一方が設けられ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プラグ。
4. 前記溝部の延伸方向と直交する断面において、前記接地電極の外形線のうち前記溝部の底面を形成する線は、前記接地電極の中心軸側に向けて凸の湾曲状をなすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプラズマ点火プラグ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプラズマ点火プラグを備え、燃料ガスが流れる燃焼室内に前記間隙が配置された内燃機関であって、
   前記軸線と直交する平面に対して、前記軸線を通り燃料ガスの流れ方向に延びる方向線と、前記接地電極の基端部とを前記軸線に沿って投影したとき、前記軸線及び前記基端部の投影部分の中心を通る直線と、前記方向線の投影線とが交差することを特徴とする内燃機関。
6. 前記軸線と直交する平面に対して、前記軸線を通り燃料ガスの流れ方向に延びる方向線と、前記接地電極の基端部とを前記軸線に沿って投影したとき、前記軸線及び前記基端部の投影部分の中心を通る直線と前記方向線の投影線とのなす角のうち、前記燃料ガスの上流方向側に位置する角の角度が９０°未満であることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。

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