JP4965517B2 - プラズマジェット点火プラグおよびその通電制御装置 - Google Patents

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通電制御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）で包囲して、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形成した構造を有している。重畳式の電源を使用する場合のプラズマジェット点火プラグを一例に説明すると、混合気への点火の際には、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、両者間には比較的低電圧で電流を流すことができるようになる。そこで更にエネルギーを供給することで放電状態を遷移させ、キャビティ内でプラズマが形成される。そして、形成されたプラズマが連通孔（いわゆるオリフィス）を通じて噴出されることによって、混合気への着火が行われるのである（例えば特許文献１参照）。

このように形成される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、キャビティ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２００６−２９４２５７号公報

しかしながら、上記のように、キャビティの周壁が絶縁碍子によって形成されているため、キャビティから噴出されるプラズマが、形成されてから噴出されるまでの間、絶縁碍子自身の熱引きの影響を受けて冷却され、これによりプラズマの持つエネルギー（熱エネルギー）が奪われると、プラズマの噴出長さが短くなって着火性が低下するという問題があった。特に、エンジンの始動時でまだエンジンの温度が低く、キャビティが十分に暖まっていない場合や、エンジンの回転数が低下した場合には、絶縁碍子の熱引きによるキャビティの冷却の度合いが大きく、プラズマの持つエネルギーが大きく奪われる虞があった。

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、キャビティの周壁をなす絶縁碍子自身の熱引きによりプラズマの持つエネルギーが奪われることを抑制し、着火性を向上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通電制御装置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、本発明に係る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しつつ前記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前記先端部とを壁面とし、前記軸孔の先端を開口端とする凹部状に形成されたキャビティと、前記絶縁碍子を保持する主体金具と、前記主体金具と電気的に接続されると共に前記絶縁碍子よりも先端側に配設され、前記キャビティを介し、前記中心電極との間で火花放電を行う接地電極と、を備えたプラズマジェット点火プラグにおいて、前記絶縁碍子に、前記キャビティの加熱を行うヒータが設けられている。

本発明に係るプラズマジェット点火プラグによれば、絶縁碍子自身の熱引きによりキャビティが冷却されても、そのキャビティをヒータで加熱することで、キャビティ内で形成されるプラズマのエネルギー（熱エネルギー）の損失を抑制することができる。これにより、噴出されるプラズマの噴出長さが短くなることがなく、高い着火性を得ることができる。例えばエンジンの始動時や低速駆動時など、エンジンの温度が低く、プラズマジェット点火プラグ自体の温度も低い状態であっても、キャビティを加熱し、キャビティ内で形成されるプラズマの持つエネルギーの損失を抑制することで、良好な着火性を得ることができる。

また、本発明に係るプラズマジェット点火プラグの前記ヒータは、前記キャビティの径方向外側にて前記絶縁碍子に埋設されていてもよい。

キャビティを効率よく加熱するには、本発明に係るプラズマジェット点火プラグのように、キャビティの周囲をヒータで取り囲む形態で、そのヒータを、キャビティを構成する絶縁碍子に埋設することが望ましい。このようにすれば、ヒータをキャビティに近づけることができるので、キャビティを速やかに加熱することができる。

もっとも、ヒータを埋設することに伴う絶縁碍子の強度への影響を考慮する必要がある。そこで、本発明に係るプラズマジェット点火プラグにおいて、前記ヒータと前記キャビティの内周面との径方向における最短距離をＸとしたときに、１≦Ｘ≦２［ｍｍ］とするとよい。

本発明に係るプラズマジェット点火プラグのように、ヒータとキャビティの内周面との径方向における最短距離Ｘを１ｍｍ以上とすれば、絶縁碍子により構成されるキャビティの機械的強度として十分な強度を得ることができる。また、火花放電時に絶縁碍子の貫通破壊が生ずることを防止することができる。一方で、Ｘを２ｍｍ以下に制限すれば、キャビティの内周面からヒータまでの距離が大きくなって、キャビティを狙いの温度に加熱するのに必要な電力が増大してしまうことを抑制することができる。

一方、本発明に係るプラズマジェット点火プラグの前記ヒータは、前記キャビティの径方向外側にて前記絶縁碍子の外周面側に配設されていてもよい。

本発明に係るプラズマジェット点火プラグがこのような形態をなすものであれば、絶縁碍子を一般的な製造方法で作製した後からでもヒータの取り付けが可能であり、生産が容易である。また、絶縁碍子を作製する際に行われる焼成に耐え得る材料（すなわち高融点の金属）を用いてヒータを作製する必要がなく、生産コストを低減することができる。

また、本発明に係るプラズマジェット点火プラグの通電制御装置は、上記発明に係るプラズマジェット点火プラグのヒータへの通電を制御するための通電制御装置であって、前記ヒータに発熱のための通電を行う通電手段と、発熱に伴い自身の抵抗値が変化する前記ヒータのその抵抗値に対応した対応値を取得する対応値取得手段と、取得した前記対応値が、予め定められた狙いの対応値に近づくように、前記通電手段による前記ヒータへの通電のオンオフを制御する通電制御手段と、を備えている。

本発明に係るプラズマジェット点火プラグの通電制御装置によれば、発熱に伴うヒータ自身の抵抗値の変化に基づき、ヒータの温度が狙いの温度となるようにフィードバック制御を行うことで、キャビティ付近の温度を調整することができる。従って、内燃機関が駆動に伴い十分に暖まった状態ではキャビティ付近の温度も狙いの温度よりも高く、このような場合には通電を停止して電力の消費を抑えることができる。その一方で、内燃機関の始動時などの温度の低いときには通電を行い、キャビティを速やかに昇温することができるので、プラズマの持つエネルギーの損失を抑制することができる。

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通電制御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３を参照して、一例としてのプラズマジェット点火プラグ１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１の断面図である。図２は、プラズマジェット点火プラグ１の先端部分を拡大した断面図である。図３は、ヒータ７０の斜視図である。なお、図１において、プラズマジェット点火プラグ１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１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１は、概略、絶縁碍子１０の軸孔１２内の先端側に、キャビティ６０と称する小容積の放電空間を有した状態で、その軸孔１２内に中心電極２０を保持するとともに、後端側に端子金具４０を保持し、さらにその絶縁碍子１０を主体金具５０で周方向に取り囲んで保持した構造を有する。また、主体金具５０の先端部５９には、円盤状をなし、中央に連通孔３１が穿設された接地電極３０が溶接され、連通孔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。

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中胴部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、中胴部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、その先端側胴部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。この脚長部１３と先端側胴部１７との間は段部１１として段状に形成されている。そして、脚長部１３の先端側には、後述するコイル状のヒータ７０が埋設されている。

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、先端側胴部１７、中胴部１９および後端側胴部１８（図１参照）の内周にあたる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に開口している（以下、絶縁碍子１０の先端面１６に開口する軸孔１２の先端を「開口端」１４と呼ぶ。）。

次に、図１に示すように、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の先端には、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、図２に示すように、中心電極２０の先端部２６（より具体的には中心電極２０の先端にて中心電極２０と一体に接合された電極チップ２５）が、径の異なる電極収容部１５内で、電極収容部１５と先端小径部６１との間の段部に対し若干の間隙を有した状態で配置されている。この構成により、軸孔１２の先端小径部６１の内周面および電極収容部１５の一部の内周面を側面（側壁）とし、中心電極２０の先端部２６を底面（底壁）とするとともに、軸孔１２の先端を開口端１４とする凹部状の小部屋（以下、「キャビティ」６０と呼ぶ。）が形成される。そして、後述するコイル状のヒータ７０は、絶縁碍子１０の脚長部１３における先端側にて、キャビティ６０の径方向周囲を取り巻くように埋設されている。

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。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内で固定されるとともに導通される。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、後述する点火回路部１２０（図４参照）から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１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取付部５２とを備えている。

また、主体金具５０の工具係合部５１と取付部５２との間には鍔状のシール部５４が形成されている。そして、取付部５２とシール部５４との間には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿されている。ガスケット５は、プラズマジェット点火プラグ１をエンジンヘッドの取付孔（図示外）に取り付けた際に、シール部５４と取付孔の開口周縁との間で押し潰されて変形し、両者間を封止することで、取付孔を介したエンジン内の気密漏れを防止するものである。

主体金具５０の工具係合部５１より後端側には薄肉の加締部５３が設けられている。そして、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が介在されており、更に両リング部材６，７の間にタルク（滑石）９の粉末が充填されている。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、主体金具５０の内周で取付部５２の位置に形成された段部５６に、環状の板パッキン８を介し、絶縁碍子１０の段部１１が支持されて、主体金具５０と絶縁碍子１０とが一体となる。このとき、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性は板パッキン８によって保持され、燃焼ガスの流出が防止される。

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。そして接地電極３０の先端面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。

次に、ヒータ７０は、前述したように、絶縁碍子１０の脚長部１３における先端側において、自身を構成するコイル状の発熱部７１が、キャビティ６０の径方向外側でキャビティ６０を周方向に取り囲む形態で埋設されている。図３に示す、ヒータ７０は、ＰｔやＷ等、高融点の金属から作製した金属線を加工して、コイル状の発熱部７１と、その両端から延びるリード部７２，７３とを形成したものである。発熱部７１は、その断面積がリード部７２，７３よりも小さくなるように形成されており、通電時に、主に発熱部７１にて発熱がなされるように設計されている。

図１に示すように、ヒータ７０のリード部７２，７３はそれぞれ絶縁碍子１０の内部を後端側へ向けて延設されている。リード部７３は、先端側胴部１７内を延長され、段部１１において外周面に露出されている。そして板パッキン８を介して主体金具５０と電気的に接続（導通）されている。一方、リード部７２は、先端側胴部１７および中胴部１９内を延長され、後端側胴部１８において外周面に露出されている。リード部７２が露出された後端側胴部１８の外周面上にはリード端子７５が設けられており、後述するヒータ回路部（図４参照）から延ばされる図示しないリード線がこのリード端子７５に接合されて、ヒータ７０への通電が行われる。

このように、本実施の形態では絶縁碍子１０にヒータ７０が埋設されており、発熱部７１をキャビティ６０に近づけることにより、キャビティ６０付近の加熱を速やかに行うことができる。そして、その発熱効率と構造上の強度維持の観点から、発熱部７１の埋設位置に、規定を設けている。具体的に、図２に示すように、コイル状をなす発熱部７１と、キャビティ６０の内周面（先端小径部６１の内周面）との径方向における最短距離をＸとしたときに、１≦Ｘ≦２［ｍｍ］を満たすことを規定している。最短距離Ｘが１ｍｍ未満の場合、キャビティ６０の内周面と発熱部７１との間において絶縁碍子１０の肉厚が薄くなり、機械的強度が保てなくなる虞がある。また、十分な絶縁強度が得られなくなる虞があり、火花放電時にその部位にて絶縁碍子１０の貫通破壊が生ずる虞がある。一方、最短距離Ｘが２ｍｍより大きい場合、ヒータ７０への通電によって発熱部７１の温度が上昇しても、その熱の一部が絶縁碍子１０自身の熱引きによって奪われ、キャビティ６０を狙いの温度に上昇させるために、より多くのエネルギーを供給する必要が生ずる虞がある。

ところで、絶縁碍子１０にヒータ７０を埋設するにあたって、その組み込みは絶縁碍子１０の製造過程で行われる。具体的に、絶縁碍子１０は、概略、軸孔１２を形成するためのピンが配置されたゴム型内にアルミナ等の粉体を注入して押し固め、切削や研磨により形状が削り出された後、ピンが引き抜かれ、焼成され、さらに釉焼されることにより、絶縁碍子１０として完成する。ヒータ７０は、ゴム型内にピンとともに配置されることにより、アルミナ等の粉体の注入後、押し固められたときには埋設された状態となる。さらに絶縁碍子１０の製造過程にて、その粉体を押し固めた絶縁碍子１０の原形とともにヒータ７０自身も焼成されることとなるため、上記のように、ＰｔやＷ等、高融点の金属から作製されるのである。

次に、プラズマジェット点火プラグ１にエネルギーを供給しキャビティ６０内でプラズマを形成させて噴出させる点火系の電気的な回路構成、およびプラズマジェット点火プラグ１の内蔵するヒータ７０に電力を供給してキャビティ６０の加熱を行わせる通電制御装置１００の電気的な回路構成について、図４を参照して説明する。図４は、プラズマジェット点火プラグ１の点火系、およびプラズマジェット点火プラグ１の内蔵するヒータ７０の通電を制御する通電制御装置１００の電気的な回路構成を概略的に示す図である。

図４に示すように、プラズマジェット点火プラグ１は、接地電極３０側が主体金具５０（図１参照）を介して接地されている。そして中心電極２０側は、点火回路部１２０に設けられた火花放電回路１２１と、プラズマ放電回路１２５とに、それぞれ逆流防止用のダイオード１２２，１２６を介して接続されている。

点火回路部１２０は、自動車のＥＣＵ（電子制御回路）１４０に設けられた点火制御部１９０によって制御されている。火花放電回路１２１は、火花放電間隙に、バッテリ１３０の供給電圧を昇圧した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電源回路であり、例えばＣＤＩ型の電源回路から構成されている。この火花放電回路１２１における電位の向きやダイオード１２２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１２５は、火花放電回路１２１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である。このプラズマ放電回路１２５には、エネルギーとしての電荷を蓄えておくコンデンサ（図示外）が設けられている。このプラズマ放電回路１２５における電位の向きやダイオード１２６の向きについても同様に、コンデンサ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、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。

一方、絶縁碍子１０に埋設されたヒータ７０は、発熱部７１の一端側が、リード部７３および板パッキン８を介して接続される主体金具５０を介して接地されている（図１参照）。そして発熱部７１の他端側は、リード部７２、リード端子７５、および図示しないリード線を介し、ヒータ回路部１１０に接続されている。ヒータ回路部１１０は、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２、差動増幅回路１１１および基準抵抗１１２により構成される電気回路である。このヒータ回路部１１０は、ＥＣＵ１４０に設けられたヒータ制御部１８０に接続されており、スイッチＳＷ１，ＳＷ２がそれぞれヒータ制御部１８０の制御に従い開閉される。また、差動増幅回路１１１の出力が、ヒータ制御部１８０に入力されている。なお、ヒータ７０の発熱部７１は、発熱に応じてその抵抗値が変化するため、図４では、可変抵抗器として表示している。

ヒータ７０は、スイッチＳＷ１を介してバッテリ１３０に接続されており、スイッチＳＷ１が閉じた場合にバッテリ１３０から電力の供給を受ける。また、ヒータ７０は、スイッチＳＷ２を介し、基準電源１３５に接続された基準抵抗１１２に接続されている。基準電源１３５は、バッテリ１３０に接続されており、安定した定電圧を発生して、ヒータ７０と、ヒータ７０に直列接続される基準抵抗１１２とに供給する電源回路である。そして、基準抵抗１１２は固有の抵抗値を有する抵抗器である。従って、ヒータ７０の発熱部７１の抵抗値が発熱に応じて変化すると、基準抵抗１１２と発熱部７１との間の分圧点における電位が変化する。この変化を捉えるため、基準抵抗１１２と発熱部７１との間の分圧点と、接地電位との間に差動増幅回路１１１が接続されている。差動増幅回路１１１は、発熱部７１の抵抗値に応じた発熱部７１の両端の電位差を電流電圧変換によって取得し、Ｄ／Ａ変換後、ＥＣＵ１４０のヒータ制御部１８０に対し出力している。

そして、ＥＣＵ１４０は、公知のＣＰＵ１５０、ＲＯＭ１６０およびＲＡＭ１７０を内蔵し、ＣＰＵ１５０により実行される通電制御プログラム（後述）に従ってヒータ回路部１１０の制御を行うヒータ制御部１８０や、点火制御プログラム（図示外）に従って点火回路部１２０の制御を行う点火制御部１９０等を有する。本実施の形態において、ヒータ制御部１８０は、ＣＰＵ１５０、ＲＯＭ１６０およびＲＡＭ１７０の構成をＥＣＵ１４０内において点火制御部１９０と共用している。

また、ＲＯＭ１６０には、後述する通電制御プログラムや点火制御プログラム、その他、自動車の制御に関わるプログラムや初期値、テーブル等が記憶されている。そして、ＲＡＭ１７０は、これらのプログラム等の実行に使用され、変数やフラグ等の一時的な記憶が行われる。なお、本実施の形態の通電制御装置１００は、ヒータ回路部１１０と、ＥＣＵ１４０に設けられたヒータ制御部１８０とからなる装置をいう。

このように構成された本実施の形態のプラズマジェット点火プラグ１では、点火制御部１９０によって制御された火花放電回路１２１から中心電極２０と接地電極３０との間に高電圧が印加されると、キャビティ６０（図２参照）を介して両者間で火花放電が行われる。そして、点火制御部１９０の制御によってプラズマ放電回路１２５のコンデンサに蓄えられたエネルギーが中心電極２０と接地電極３０との間に供給されると、放電状態が遷移し、キャビティ６０内でプラズマが形成される。このプラズマがキャビティ６０内で膨張し、圧力が高まると、開口端１４より火柱のような形状、いわゆるフレーム状となって噴出される。プラズマは高いエネルギーを持ち、混合気に対する着火性が高いため、より希薄な混合気に対しても確実に点火することができる。

一方、ヒータ７０は、ヒータ制御部１８０によって制御されたヒータ回路部１１０の駆動により、バッテリ１３０からの電力が供給され、発熱部７１において発熱し、キャビティ６０付近の温度を上昇させる。これにより、絶縁碍子１０自身の熱引きによるキャビティ６０の冷却が抑制され、キャビティ６０内で形成されたプラズマの持つエネルギーの損失が抑制されるため、噴出されるプラズマの噴出長さが短くなることがなく、高い着火性を得ることができる。例えばエンジンの始動時や低速駆動時など、エンジンの温度が低く、プラズマジェット点火プラグ１自体の温度も低い状態であっても、キャビティ６０を加熱し、キャビティ６０内で形成されるプラズマの持つエネルギーの損失を抑制することで、良好な着火性を得ることができる。

もっとも、ヒータ７０にただ電力を供給するだけでは、キャビティ６０付近の温度が狙いの温度よりも高くなってしまうため、本実施の形態では、ヒータ制御プログラムを実行し、発熱部７１の抵抗値の測定に基づくキャビティ６０付近の温度測定とその結果をフィードバックさせたＰＷＭ制御を行って、キャビティ６０付近が狙いの温度となるように制御を行っている。以下、ヒータ制御プログラムについて、図４〜図６を参照して説明する。図５は、ヒータ制御プログラムのフローチャートである。図６は、ヒータ制御プログラムに対して行われる割込処理のフローチャートである。なお、フローチャートの各ステップについては「Ｓ」と略記する。

まず、ヒータ制御プログラムの実行において使用される変数やフラグ、カウンタ等について説明する。「タイマー」はＰＷＭ制御に基づくヒータ７０への通電時間および非通電時間を計測するために用いられるカウンタであり、ＲＡＭ１７０に記憶され、ヒータ制御プログラムとは別途実行されるプログラムによってそのカウント値が変動（インクリメントまたはデクリメント）される。「通電時間」および「非通電時間」は、それぞれ、ヒータ７０への通電状態を維持する時間、および、通電を行わない時間をタイマーのカウント値と比較することにより計測する変数として、ＲＡＭ１７０に記憶される。「温度換算テーブル」は、ヒータ７０の発熱部７１の両端の電位差を、対応値として、差動増幅回路１１１から取得し、さらに、その対応値を発熱部７１の温度に換算し、温度換算値を得る際に参照されるテーブルであり、予め実験等により作成され、ＲＯＭ１６０に記憶されている。「ＰＷＭ値決定テーブル」は、発熱部７１の温度が狙いの温度となるように、得られた発熱部７１の温度換算値を、予め定められた温度基準値に近づけるためのＰＷＭ制御が行われるように、ＰＷＭ値を決定する際に参照されるテーブルである。具体的には、温度換算値に応じた通電時間と非通電時間とが対応付けられており、予め実験等により作成され、ＲＯＭ１６０に記憶されている。「割込フラグ」は、割込処理が発生したか否かを確認するためのフラグである。本実施の形態では、ＰＷＭ値の変更を割込処理により行っており、割込処理が発生すると割込フラグを成立させ、ＰＷＭ値の再設定（通電時間および非通電時間に応じたタイマーのカウントを終了させる値の変更）を行う。なお、本実施の形態では１ｓｅｃ．ごとに１回、割込処理が行われるようにしている。

次に、ヒータ制御プログラムの動作について説明する。自動車のエンジンの駆動に伴い、図５に示す、ヒータ制御プログラムが実行されると、まず、初期設定が行われ、各変数等がリセットされる（Ｓ１１）。次に、図示しないタイマープログラムが呼び出されてタイマーが駆動され、カウント値の継続的なインクリメントが開始される（Ｓ１３）。

そして、ＲＡＭ１７０に記憶されたＰＷＭ値としての通電時間および非通電時間（初回実行時はＳ１１において初期値が記憶されている。）が読み出され（Ｓ１５）、それぞれ、タイマーのカウント値と比較して、通電状態の継続時間を終了する変数、および非通電状態の継続時間を終了する変数としてセットされる（Ｓ１７，Ｓ１９）。

そして、スイッチＳＷ１が閉じられ、ヒータ７０がバッテリ１３０に接続されて電力の供給を受け、発熱部７１への通電が開始される（Ｓ２１）。なお、スイッチＳＷ２は開かれる（スイッチＳＷ１とＳＷ２とが同時に閉じられることはない。）。このとき、タイマーのカウント値が一旦リセットされ、通電開始からの経過時間の計測が開始される（Ｓ２３）。次に割込フラグの成立の有無が確認され、非成立であれば（Ｓ２５：ＮＯ）、タイマーのカウント値と、Ｓ１７でセットされた通電時間とが比較され、通電時間が経過するまで（Ｓ２７：ＮＯ）、Ｓ２５，Ｓ２７が繰り返される。なお、Ｓ２１で、スイッチＳＷ１を閉じる制御を行ってヒータ７０の発熱部７１への通電を開始させるＣＰＵ１５０が、本発明における「通電手段」に相当する。

割込処理が行われずにそのまま通電時間が経過すれば（Ｓ２７：ＹＥＳ）、スイッチＳＷ１が開かれ、発熱部７１への通電が停止される（Ｓ２９）。このとき、タイマーのカウント値が再度リセットされ、通電停止からの経過時間の計測が開始される（Ｓ３１）。そして同様に、割込フラグの成立の有無が確認され、割込処理が行われないうちは（Ｓ３３：ＮＯ）、非通電時間が経過するまで（Ｓ３５：ＮＯ）、Ｓ３３，Ｓ３５が繰り返される。割込処理が行われずにそのまま非通電時間が経過すれば（Ｓ３５：ＹＥＳ）、Ｓ２１に戻り、スイッチＳＷ１が閉じられて、再び、Ｓ１７，Ｓ１９でセットされた通電時間，非通電時間に応じたＰＷＭ制御が行われる。これにより、発熱部７１の温度が狙いの温度に近づくようにヒータ７０への通電が制御される。

Ｓ２１〜Ｓ３５の繰り返しによりＰＷＭ制御が行われている間に、図６に示す、割込処理が発生した場合（上記したように１ｓｅｃ．ごとに発生する。）、まず、スイッチＳＷ１が開かれて、発熱部７１への通電が停止される（Ｓ５１）。次いで、スイッチＳＷ２が閉じられ、ヒータ７０が基準抵抗１１２を介して基準電源１３５に接続されて、基準抵抗１１２および発熱部７１に定電圧が印加される。発熱部７１の両端の電位差は差動増幅回路１１１により検出され、Ｄ／Ａ変換されてヒータ制御部１８０に入力される。この入力された発熱部７１の両端の電位差が、ヒータ制御プログラムにおいて対応値として取得され、ＲＡＭ１７０に記憶される（Ｓ５３）。さらに、温度換算テーブルが参照され、対応値に応じた温度換算値が求められて、ＲＡＭ１７０に記憶される（Ｓ５５）。これにより、現在のヒータ７０の発熱部７１の温度（推定値）が求められる。なお、差動増幅回路１１１から得られるヒータ７０の発熱部７１の両端の電位差を、発熱部７１の抵抗値に応じた対応値として取得するＣＰＵ１５０が、本発明における「対応値取得手段」に相当する。

次に、ＰＷＭ値決定テーブルが参照され、得られた温度換算値に対応したＰＷＭ値（通電時間および非通電時間）が取得される（Ｓ５７）。取得されたＰＷＭ値がＲＡＭ１７０に記憶されると、割込フラグが成立されて（Ｓ５９）、割込処理が終了する。なお、Ｓ５７において得られたＰＷＭ値をもってＳ１７，Ｓ１９において通電時間および非通電時間をセットし、Ｓ２１〜Ｓ３５を繰り返すことで、ＰＷＭ制御をもって発熱部７１への通電のオンオフを制御するＣＰＵ１５０が、本発明の「通電制御手段」に相当する。

図５において、Ｓ２１〜Ｓ３５の繰り返しによりＰＷＭ制御が行われている間に割込処理が実行され、Ｓ２５またはＳ３３において、割込フラグの成立が検出されると（Ｓ２５：ＹＥＳまたはＳ３３：ＹＥＳ）、割込フラグが非成立の状態にされてから（Ｓ３７）、Ｓ１５に戻る。割込処理の実行によりＲＡＭ１７０に記憶されているＰＷＭ値（通電時間および非通電時間）が変更されており、その新たなＰＷＭ値が読み出され、通電状態の継続時間を終了する変数、および非通電状態の継続時間を終了する変数として再度セットし直される（Ｓ１５〜Ｓ１９）。以後は、この新たな通電時間および非通電時間に基づくヒータ７０への通電のＰＷＭ制御が行われる（Ｓ２１〜Ｓ３５）。

このように、本実施の形態の通電制御装置１００は、ヒータ７０の発熱部７１への通電を制御するにあたり、ＰＷＭ制御により狙いの温度に維持させることができるとともに、フィードバック制御を行うことができる。エンジンが駆動により十分に暖まった状態ではキャビティ６０付近の温度も十分に高く、このような場合にはフィードバック制御により発熱部７１への通電を停止して電力の消費を抑えることができる。その一方で、エンジンの始動時などのキャビティ６０付近の温度が低いときには、発熱部７１への通電を行い、キャビティ６０付近を速やかに昇温することができるので、プラズマの持つエネルギーの損失を抑制することができる。

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７に示す、ヒータ２７０のように、発熱部２７１が筒形状をなすものであってもよい。具体的に、発熱部２７１は、アルミナを主体として形成したグリーンシート上に、ＰｔやＷ等からなる金属とアルミナ粉末を混合したペースト状のインクをメタライズしたものを印刷して発熱パターンを形成し、さらに対となるグリーンシートで印刷面を挟み込み、筒状に丸めて形成すればよい。ヒータ２７０の絶縁碍子１０への埋設方法については本実施の形態と同様である。

また、図８に示すプラズマジェット点火プラグ３０１のように、ヒータ３７０の発熱部３７１を絶縁碍子３１０の外周面に巻き付けてもよい。上記同様、グリーンシート上に、ＰｔやＷ等からなる金属とアルミナ粉末を混合したペースト状のインクをメタライズしたものを印刷して発熱パターンおよび引出線のパターンを形成することによりヒータ３７０を作製する。そして、発熱部３７１をキャビティ３６０の径方向外側において絶縁碍子３１０の外周面に巻き付けることにより、キャビティ３６０の径方向外側にてキャビティ３６０の周方向に取り囲む状態で、絶縁碍子３１０の外周面側にヒータ３７０を配設すればよい。

あるいは、予めアルミナ粉体を固めて作製した未焼成の絶縁碍子（図示外）の外周面に、ＰｔやＷ等からなる金属とアルミナ粉末を混合したペースト状のインクをメタライズしたものを印刷して発熱パターンおよびリード部のパターン（ただし、アルミナ粉末の含有率を下げて発熱パターンより抵抗値を下げる）を印刷により形成し、未焼成の絶縁碍子とともに同時焼成してもよい。

また、ヒータ制御部１８０をＥＣＵ１４０とは別体に設計し、ヒータ回路部１１０と一体に設けた通電制御装置を、ＥＣＵ１４０とプラズマジェット点火プラグ１との間に介在させる形態としてもよい。

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く、電極収容部１５と同径に形成されてもよいし、あるいは電極収容部１５よりも大きな内径に形成されてもよい。

また、本実施の形態では、最短距離Ｘを、発熱部７１と、キャビティ６０の先端小径部６１の内周面との径方向における最短距離としたが、キャビティ６０の中心電極２０の先端部２６の手前における拡径された部分にヒータ７０の発熱部７１がかかる場合には、最短距離Ｘを、その拡径された部分の内周面と発熱部７１との径方向距離をもって規定してもよい。

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。

また、Ｓ５５で温度換算テーブルによる温度換算を行わず、得られた発熱部７１の対応値からＰＷＭ値決定テーブルを用いて直接ＰＷＭ値（通電時間および非通電時間）を取得してもよい。また、温度換算テーブルやＰＷＭ値決定テーブルを用いず、演算式により、温度換算値やＰＷＭ値の算出を行ってもよい。

［実施例］
次に、ヒータとキャビティの内周面との径方向における最短距離Ｘを２ｍｍ以下としたことによる効果を確認するため、評価試験を行った。ここでは、内径が異なる６種類のコイル状をなす発熱部を有するヒータを作製し、それぞれを埋設した絶縁碍子を本実施の形態と同様に作製し、これらを用いてプラズマジェット点火プラグのサンプルを完成させた。そして、エンジンを模したアルミブッシュに各サンプルを取り付け、各サンプルのキャビティの内周面に温度測定用のプローブを貼り付けた。次に、周囲の雰囲気の温度を２５℃に保った状態でヒータに通電し、キャビティの内周面の温度を５００℃にするために消費した電力を、各サンプルについて求めた。この評価試験の結果を図９のグラフに示す。

図９に示すように、発熱部の内径が大きく、キャビティからの径方向の最短距離Ｘが大きいサンプルほど、消費電力が大きくなることが確認された。消費電力を１０Ｗ以下に抑えるには、キャビティからの径方向の最短距離Ｘを２ｍｍ以下とすればよいことが分かった。

プラズマジェット点火プラグ１の断面図である。 プラズマジェット点火プラグ１の先端部分を拡大した断面図である。 ヒータ７０の斜視図である。 プラズマジェット点火プラグ１の点火系、およびプラズマジェット点火プラグ１の内蔵するヒータ７０の通電を制御する通電制御装置１００の電気的な回路構成を概略的に示す図である。 ヒータ制御プログラムのフローチャートである。 ヒータ制御プログラムに対して行われる割込処理のフローチャートである。 変形例としてのヒータ２７０の斜視図である。 変形例としてのヒータ３７０が配設されたプラズマジェット点火プラグ３０１の先端部分を拡大した断面図である。 キャビティの径方向における最短距離Ｘと消費電力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ プラズマジェット点火プラグ
１０ 絶縁碍子
１２ 軸孔
１４ 開口端
２０ 中心電極
２６ 先端部
３０ 接地電極
５０ 主体金具
６０ キャビティ
７０ ヒータ
１００ 通電制御装置

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しつつ前記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前記先端部とを壁面とし、前記軸孔の先端を開口端とする凹部状に形成されたキャビティと、
   前記絶縁碍子を保持する主体金具と、
   前記主体金具と電気的に接続されると共に前記絶縁碍子よりも先端側に配設され、前記キャビティを介し、前記中心電極との間で火花放電を行う接地電極と、
   を備えたプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記絶縁碍子に、前記キャビティの加熱を行うヒータが設けられたことを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
2. 前記ヒータは、前記キャビティの径方向外側にて前記絶縁碍子に埋設された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. 前記ヒータと前記キャビティの内周面との径方向における最短距離をＸとしたときに、
   １≦Ｘ≦２［ｍｍ］
   である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。
4. 前記ヒータは、前記キャビティの径方向外側にて前記絶縁碍子の外周面側に配設された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。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のプラズマジェット点火プラグのヒータへの通電を制御するための通電制御装置であって、
   前記ヒータに発熱のための通電を行う通電手段と、
   発熱に伴い自身の抵抗値が変化する前記ヒータのその抵抗値に対応した対応値を取得する対応値取得手段と、
   取得した前記対応値が、予め定められた狙いの対応値に近づくように、前記通電手段による前記ヒータへの通電のオンオフを制御する通電制御手段と、
   を備えたことを特徴とするプラズマジェット点火プラグの通電制御装置。

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