JP5140134B2 - 点火システム及び点火方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを生成して混合気等への着火を行うプラズマジェット点火プラグの点火システム、及び、点火方法に関する。

従来、内燃機関等の燃焼装置においては、火花放電により混合気へと着火する点火プラグが使用されている。また近年では、燃焼装置の高出力化や低燃費化の要求に応えるべく、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より確実に着火可能な点火プラグとして、プラズマジェット点火プラグが提案されている。

一般にプラズマジェット点火プラグは、軸孔を有する筒状の絶縁体と、先端面が絶縁体の先端面よりも没入した状態で軸孔内に挿設される中心電極と、絶縁体の外周に配置される主体金具と、主体金具の先端部に接合される円環状の接地電極とを備える。また、プラズマジェット点火プラグは、中心電極の先端面及び軸孔の内周面によって形成された空間（キャビティ部）を有しており、当該キャビティ部は接地電極に形成された貫通孔を介して外部に連通されるようになっている。

このようなプラズマジェット点火プラグにおいては、次のようにして混合気への着火が行われる。まず、中心電極と接地電極との間に形成された間隙に電圧を印加して、当該間隙に火花放電を生じさせて絶縁破壊する。その上で、前記間隙に電力を投入することによって放電状態を遷移させて、キャビティ部の内部にプラズマを発生させる。そして、発生したプラズマがキャビティ部の開口から噴出することで、混合気への着火が行われる。

また近年では、更なる着火性の向上を図るべく、キャビティ部の内周面を段付き形状として、キャビティ部に絞りを設ける手法が知られている（例えば、特許文献１等参照）。さらに、キャビティ部の容積を所定値以下とした上で、キャビティ部の軸方向長さを比較的大きくすることにより、着火性の向上を図る技術も提案されている（例えば、特許文献２等参照）。

特開２００７−２８７６６６号公報 特開２００６−２９４２５７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術によれば、キャビティ部の内周面が湾曲（屈曲）形状となるため、当該湾曲（屈曲）形状の部位において絶縁体の削れ（いわゆる、チャンネリング）が生じやすくなってしまう。また、上記特許文献２に記載の技術のように、キャビティ部の容積を所定値以下とした上で、キャビティ部の軸方向長さを比較的大きくした場合には、結果的に、キャビティ部の内径が小径化され、ひいては中心電極の先端部の外径も小径化されることとなってしまう。そのため、中心電極の熱引きが極端に悪化してしまい、中心電極が急速に消耗してしまうおそれがある。すなわち、上記技術のように、キャビティ部の形状を調整して着火性の向上を図る場合には、チャンネリングや中心電極の消耗の面で悪影響が生じてしまうおそれがある。

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、電力の投入手法を変更することで、チャンネリングや中心電極の消耗の面で悪影響を生じさせることなく、着火性を向上させることができるプラズマジェット点火プラグの点火システム、及び、点火方法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．本構成の点火システムは、軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、先端面が前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向後端側に位置するように前記軸孔内に挿設される中心電極と、前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向先端側に位置するように配置されるとともに前記中心電極との間に間隙を形成する接地電極と、前記軸孔の内周面と前記中心電極の先端面により形成されるキャビティ部とを有するプラズマジェット点火プラグと、
前記間隙に電圧を印加する放電用電源と、
前記間隙に電力を投入するエネルギー投入部とを備え、
前記放電用電源から前記間隙に電圧を印加することで前記間隙に火花放電を発生させるとともに前記間隙に電力を投入することで前記キャビティ部にプラズマを生成可能な点火システムであって、
前記エネルギー投入部は、１回の火花放電に対応して複数回に亘って前記間隙に電力を投入可能に構成されており、
１回の火花放電中における２回目以降の電力の投入開始タイミングが、直前の電力の投入終了タイミングよりも後で、かつ、当該投入終了タイミングから５０μｓ以内とされることを特徴とする。

尚、「投入終了タイミング」とあるのは、投入された電力の電流値が、その電力を投入したときのピーク値の５％以下となったときをいう。「投入終了タイミング」をこのように規定したのは、プラズマを生成させるための各電力の投入終了時であっても、火花放電の電流（誘導放電電流）が流れていること（電流値が０とならないこと）を鑑みたものである。また、「５％以下」としたのは、一般に火花放電の電流値が、プラズマを生成するために投入された電力の電流ピーク値の５％以下となることによる。

上記構成１によれば、１回の火花放電に対応して複数回に亘って電力が投入されるとともに、２回目以降の電力の投入開始タイミングが直前の電力の投入終了タイミングよりも後とされている。従って、直前の電力投入により生じたプラズマがキャビティ部から噴出する一方で、プラズマを生成するための外気がキャビティ部内に十分に流入した状態で、２回目以降の電力が投入される。そのため、２回目以降の電力投入時にも十分に大きなプラズマを生成することができる。

さらに、上記構成１によれば、２回目以降の電力の投入開始タイミングが直前の電力の投入終了タイミングから５０μｓ以内とされており、直前の電力投入により生成されたプラズマが消失する前のタイミングで次のプラズマが生成されるように構成されている。従って、直前の電力投入により生成されたプラズマを、次の電力投入により生成された大きなプラズマにより押し出す形でキャビティ部から勢いよく噴出させることができる。その結果、キャビティ部の形状等を特段調整することなく（すなわち、チャンネリングや中心電極の消耗の面で悪影響を与えることなく）、着火性を飛躍的に向上させることができる。

また、上記構成１によれば、１回当たりに投入される電力の電流ピーク値を比較的小さくしても着火性を十分に向上させることができる。そのため、電力の投入に伴う中心電極の熱負荷を低減させることができ、中心電極の消耗抑制を図ることができる。その結果、中心電極の消耗に伴う放電電圧の上昇を抑制することができ、ひいてはチャンネリングの抑制を図ることができる。また、放電電圧の上昇を抑制することで火花放電等が可能な期間を長期化させることができる。従って、チャンネリングの抑制が図られることと相俟って、優れた着火性を長期間に亘って維持することができる。

構成２．本構成の点火システムは、上記構成１において、前記キャビティ部の内径をＤ（ｍｍ）とし、１回の電力を投入する際に前記エネルギー投入部から前記間隙に対して供給されるエネルギーをＥ（ｍＪ）としたとき、
Ｄ≦０．８のとき、Ｅ≧１９（ｍＪ／ｍｍ²）×π×（０．４ｍｍ）²を満たし、
Ｄ＞０．８のとき、Ｅ≧１９（ｍＪ／ｍｍ²）×π×（Ｄ／２）²を満たすことを特徴とする。

尚、キャビティ部を形成する軸孔の内周面が軸線に対して傾いている場合など、軸線方向に沿ってキャビティ部の内径が変動する場合、「キャビティ部の内径」とあるのは、軸線方向に沿ったキャビティ部の平均内径をいう（以下、同様）。

本願発明者が、プラズマの噴出量とキャビティ部内におけるプラズマの状態との関係を確認したところ、プラズマの噴出量が０．４ｍｍ以上となった場合に、キャビティ部内がプラズマで満たされることが見出された。

この点を鑑みて、上記構成２によれば、キャビティ部の内径Ｄに対応して、１回の電力を投入する際に間隙に供給されるエネルギーが上記式のように設定されており、１回の電力投入により、少なくとも０．４ｍｍ以上噴出するプラズマが生成されるように構成されている。換言すれば、上記構成２によれば、電力を投入した際に、プラズマによりキャビティ部内をより確実に満たすことができる。そのため、直前に生じたプラズマを次に生じたプラズマによって一層確実に押し出すことができ、着火性をより確実に向上させることができる。

構成３．本構成の点火システムは、上記構成１又は２において、１回の火花放電中において最後に投入される電力の投入開始タイミングが、当該火花放電の開始から５００μｓ以内とされることを特徴とする。

上記構成３によれば、火花放電が継続しており、かつ、間隙の抵抗値が十分に小さい状態で、１回の火花放電中における最後の電力が投入されることとなる。従って、１回の火花放電中における最後の電力投入の際にもプラズマをより確実に生成することができ、着火性を効率よく向上させることができる。

構成４．本構成の点火システムは、上記構成１乃至３のいずれかにおいて、前記キャビティ部の内径をＤ（ｍｍ）としたとき、０．５≦Ｄ≦２．０を満たすことを特徴とする。

上記構成４によれば、キャビティ部の内径Ｄが０．５ｍｍ以上とされているため、軸孔に挿通される中心電極の先端部のボリュームを十分に大きく確保することができる。その結果、中心電極の熱伝導性を高めることができ、中心電極の耐消耗性を一層向上させることができる。

また、キャビティ部の内径Ｄが２．０ｍｍ以下とされているため、キャビティ部をプラズマで満たすために必要な供給エネルギーを十分に小さなものとすることができる。従って、電力の投入に伴う中心電極の消耗を効果的に抑制することができる。

構成５．本構成の点火システムは、上記構成１乃至４のいずれかにおいて、前記軸孔の先端から前記軸線方向後端側に少なくとも０．５ｍｍの範囲において、前記軸孔には、内径が一定のストレート部、及び、前記軸線方向先端側に向けて拡径する拡径部の少なくとも一方が形成されることを特徴とする。

上記構成５によれば、キャビティ部の先端側に、０．５ｍｍ以上と十分な長さを有するストレート部が形成されており、キャビティ部の開口がすぼまることなく形成されている。そのため、キャビティ部内への外気の流入がよりスムーズに行われることとなり、２回目以降の電力の投入時に、一層大きなプラズマを生成することができる。また、キャビティ部の先端部にストレート部を設けることで、キャビティ部から噴出する際のプラズマの拡散を抑制することができる。従って、これらの効果が相乗的に作用することによって、着火性をより一層向上させることができる。

また、キャビティ部内への外気の流入がよりスムーズとなることで、中心電極の熱負荷をさらに低減させることができ、中心電極の耐消耗性をより一層向上できる。

構成６．本構成の点火システムは、上記構成５において、前記軸孔の先端から前記軸線方向後端側に少なくとも０．５ｍｍの範囲において、前記軸孔には前記拡径部が形成されており、
前記軸線を含む断面において、
前記拡径部の外形線と前記軸線とのなす角のうち鋭角の角度をα（°）としたとき、
０＜α≦１５
を満たすことを特徴とする。

上記構成６によれば、軸孔（キャビティ部）の先端側に拡径部が設けられることで、キャビティ部内への外気の流入がより一層スムーズに行われることとなる。その結果、着火性や中心電極の耐消耗性を一層向上させることができる。

また、軸線方向先端側に向けた拡径部の内径の増大割合（つまり、角度α）が過度に大きくなってしまうと、プラズマが噴出時に拡散してしまい、プラズマの噴出量が減少してしまうおそれがあるが、上記構成６によれば、角度αが１５°以下と十分に小さなものとされている。従って、プラズマの拡散をより確実に抑制することができ、上述した着火性の向上効果をより確実に発揮させることができる。

構成７．本構成の点火システムは、上記構成１乃至６のいずれかにおいて、前記中心電極のうち、その先端から前記軸線方向後端側に０．３ｍｍまでの部位は、タングステン（Ｗ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、又は、これらの金属のうち少なくとも一種を主成分とする合金により構成されていることを特徴とする。

尚、「主成分」とあるのは、材料中、最も質量比の高い成分を指すものである（以下、同様）。

上記構成７によれば、中心電極の先端部が、ＷやＩｒ等の金属、又は、これらの金属のうち少なくとも一種を主成分とする合金により形成されている。従って、火花放電等に対する中心電極の耐消耗性を一層向上させることができる。

構成８．本構成の点火システムは、上記構成１乃至７のいずれかにおいて、前記接地電極は、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｎｉ、又は、これらの金属のうち少なくとも一種を主成分とする合金により構成されていることを特徴とする。

上記構成８によれば、接地電極が、ＷやＩｒ等の金属、又は、これらの金属のうち少なくとも一種を主成分とする合金により形成されている。従って、火花放電等に対する接地電極の耐消耗性を向上させることができ、接地電極の消耗に伴う放電電圧の上昇を抑制することができる。その結果、火花放電等が可能な期間をより長期化させることができ、上記各構成による優れた着火性を一層長期間に亘って維持することができる。

構成９．本構成の点火方法は、軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、先端面が前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向後端側に位置するように前記軸孔内に挿設される中心電極と、前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向先端側に位置するように配置されるとともに前記中心電極との間に間隙を形成する接地電極と、前記軸孔の内周面と前記中心電極の先端面により形成されるキャビティ部とを有するプラズマジェット点火プラグと、
前記間隙に電圧を印加する放電用電源と、
前記間隙に電力を投入するエネルギー投入部とを備え、
前記放電用電源から前記間隙に電圧を印加することで前記間隙に火花放電を発生させるとともに前記間隙に電力を投入することで前記キャビティ部にプラズマを生成可能な点火システムの点火方法であって、
前記エネルギー投入部により、１回の火花放電に対応して複数回に亘って前記間隙に電力が投入されるとともに、
１回の火花放電中における２回目以降の電力の投入開始タイミングが、直前の電力の投入終了タイミングよりも後で、かつ、当該投入終了タイミングから５０μｓ以内とされることを特徴とする。

上記構成９によれば、基本的には上記構成１と同様の作用効果が奏されることとなる。

点火システムの概略構成を示すブロック図である。 プラズマジェット点火プラグの構成を示す一部破断正面図である。 電力の投入タイミングやコンデンサに対する充電タイミング等を説明するためのタイミングチャートである。 電力の投入タイミングを説明するためのタイミングチャートである。 プラズマジェット点火プラグの先端部の構成を示す部分拡大断面図である。 プラズマジェット点火プラグの先端部の別例を示す部分拡大断面図である。 （ａ）は、サンプルＡの構成を示す部分拡大断面図であり、（ｂ）は、サンプルＢの構成を示す部分拡大断面図である。 サンプルＡ及びサンプルＢにおける、電力の投入回数とフレーム面積との関係を示すグラフである。 電力の投入間隔とフレーム面積との関係を示すグラフである。 キャビティ部の断面積と、プラズマ噴出量を０．４ｍｍ以上とするために必要な供給エネルギーとの関係を示すグラフである。 キャビティ部の内径と、プラズマ噴出量を０．４ｍｍ以上とするために必要な供給エネルギーとの関係を示すグラフである。 キャビティ部の内径と、耐久時間との関係を示すグラフである。 （ａ）は、サンプルＣの構成を示す部分拡大断面図であり、（ｂ）は、サンプルＤの構成を示す部分拡大断面図である。 サンプルＥの構成を示す部分拡大断面図である。 ストレート部の長さと、フレーム面積との関係を示すグラフである。 角度αとフレーム面積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システムの概略構成を示すブロック図である。

以下に、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、プラズマジェット点火プラグ（以下、「点火プラグ」と称す）１と、放電用電源４１及びエネルギー投入部５１を有する点火装置３１とを備えた点火システム１０１の概略構成を示すブロック図である。尚、図１では、点火プラグ１を１つのみ示しているが、内燃機関ＥＮには複数の気筒が設けられており、各気筒に対応して点火プラグ１が設けられている。そして、各点火プラグ１ごとに放電用電源４１やエネルギー投入部５１が設けられている。

まず、点火システム１０１の説明に先立って、点火プラグ１の概略構成を説明する。

図２は、点火プラグ１を示す一部破断正面図である。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。

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。

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向きに突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、脚長部１３は、主体金具３の内部に収容されている。そして、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が挿入、固定されている。当該中心電極５は、熱伝導性に優れる銅や銅合金等からなる内層５Ａ、及び、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするＮｉ合金〔例えば、インコネル（商標名）６００や６０１等〕からなる外層５Ｂを備えている。さらに、中心電極５は、全体として棒状（円柱状）をなし、その先端が絶縁碍子２の先端面よりも後端側に配置されている。加えて、中心電極５のうち、その先端から軸線ＣＬ１方向後端側に少なくとも０．３ｍｍまでの部位には、タングステン（Ｗ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、又は、これらの金属のうち少なくとも一種を主成分とする合金により形成された電極チップ５Ｃが設けられている。

また、軸孔４の後端側には、絶縁碍子２の後端から突出した状態で端子電極６が挿入、固定されている。

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層９が配設されている。当該ガラスシール層９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。

加えて、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を燃焼装置（例えば、内燃機関や燃料電池改質器等）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の後端側の外周面には座部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を前記燃焼装置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。併せて、主体金具３の先端部外周には、軸線ＣＬ１方向先端側に向けて突出するように形成された環状の係合部２１が形成されており、当該係合部２１に対して後述する接地電極２７が接合されるようになっている。

また、主体金具３の内周面には、絶縁碍子２を係止するためのテーパ状の段部２２が設けられている。そして、絶縁碍子２は、主体金具３の後端側から先端側に向かって挿入され、自身の段部１４が主体金具３の段部２２に係止された状態で、主体金具３の後端側の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、絶縁碍子２及び主体金具３双方の段部１４，２２間には、円環状の板パッキン２３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、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２４，２５が介在され、リング部材２４，２５間にはタルク（滑石）２６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２３、リング部材２４，２５及びタルク２６を介して絶縁碍子２を保持している。

また、主体金具３の先端部には、絶縁碍子２の先端よりも軸線ＣＬ１方向先端側に位置するようにして、円板状をなす接地電極２７が接合されている。当該接地電極２７は、前記主体金具３の係合部２１に係合された状態で、自身の外周部分が前記係合部２１に対して溶接されることで主体金具３に接合されている。尚、本実施形態において、接地電極２７は、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ，Ｎｉ、又は、これらの金属のうち少なくとも一種を主成分とする合金により構成されている。

加えて、接地電極２７は、自身の中央に板厚方向に貫通する貫通孔２７Ｈを有している。そして、軸孔４の内周面と中心電極５の先端面とにより形成され、先端側に向けて開口する円柱状の空間であるキャビティ部２８が、前記貫通孔２７Ｈを介して外部へと連通されている。

上述した点火プラグ１においては、中心電極５と接地電極２７との間に形成された間隙２９に高電圧を印加することにより火花放電を生じさせた上で、間隙２９に電力を投入し、放電状態を遷移させることで、キャビティ部２８にプラズマを発生させ、貫通孔２７Ｈからプラズマを噴出させるようになっている。そこで次に、点火プラグ１の前記間隙２９に対して高電圧及び電力を供給する前記点火装置３１の構成について説明する。

点火装置３１は、図１に示すように、放電用電源４１と、エネルギー投入部５１と、自動車の電子制御装置（ＥＣＵ）７１とを備えている。

放電用電源４１は、点火プラグ１に対して高電圧を印加し、前記間隙２９に火花放電を生じさせるものである。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、その他端が逆流防止用のダイオード４６を介して、点火プラグ１の端子電極６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ＥＣＵ７１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、ＥＣＵ７１からの通電信号をオンからオフに切り替えることで、バッテリＶＡから一次コイル４２に対する電流を停止する。電流の停止により、前記コア４４の磁界が変化し、自己誘電作用によって一次コイル４２に一次電圧が生じるとともに、二次コイル４３に高電圧（数〜数十ｋＶ）が発生する。この高電圧が点火プラグ１（端子電極６）に印加されることで、間隙２９において火花放電が発生する。

前記エネルギー投入部５１は、並列に接続された第１エネルギー投入部５２及び第２エネルギー投入部５３と、正極性の電圧を発生させる電源ＰＳとを備えている。

第１、第２エネルギー投入部５２，５３は、プラズマ発生用の電力を点火プラグ１に投入するものであって、第１エネルギー投入部５２は、第１コンデンサ５４と、第１充電用スイッチ５６と、第１エネルギー投入用スイッチ５８とを備えている。また、第２エネルギー投入部５３は、第２コンデンサ５５と、第２充電用スイッチ５７と、第２エネルギー投入用スイッチ５９とを備えている。

前記コンデンサ５４，５５は、その一端が前記電源ＰＳに接続されることで電源ＰＳにより充電が行われるように構成されるとともに、その他端が点火プラグ１に接続されている。また、充電用スイッチ５６（５７）は、電源ＰＳからコンデンサ５４（５５）に対する通電及び通電停止を切り替えるものであって、本実施形態では、ＭＯＳＦＥＴにより構成されている。充電用スイッチ５６（５７）は、その一端がコンデンサ５４（５５）と点火プラグ１との間に逆流防止用のダイオード６０（６１）を介して接続されるとともに、その他端が接地されている。また、充電用スイッチ５６（５７）のゲートには、ＥＣＵ７１からドライブ回路７２を介して信号が入力されるようになっており、ＥＣＵ７１から充電用スイッチ５６（５７）にオン信号が送られることで、充電用スイッチ５６（５７）がオンとされ、ＥＣＵ７１からオフ信号が送られることで、充電用スイッチ５６（５７）がオフとされる。つまり、両充電用スイッチ５６，５７のオン・オフは、ＥＣＵ７１によって制御されるようになっている。

エネルギー投入用スイッチ５８（５９）は、コンデンサ５４（５５）から点火プラグ１に対する電力の投入及び投入停止を切り替えるものであり、本実施形態では、ＭＯＳＦＥＴにより構成されている。エネルギー投入用スイッチ５８（５９）は、その一端がコンデンサ５４（５５）と電源ＰＳとの間に接続されるとともに、その他端が接地されている。さらに、エネルギー投入用スイッチ５８（５９）のゲートには、ＥＣＵ７１から前記ドライブ回路７２を介して信号が入力されるようになっており、ＥＣＵ７１からエネルギー投入用スイッチ５８（５９）へとオン信号が送られることで、エネルギー投入用スイッチ５８（５９）がオンとされ、ＥＣＵ７１からオフ信号が送られることで、エネルギー投入用スイッチ５８（５９）がオフとされる。つまり、両エネルギー投入用スイッチ５８，５９のオン・オフは、前記充電用スイッチ５６，５７と同様に、ＥＣＵ７１によって制御されるようになっている。

尚、電源ＰＳからコンデンサ５４（５５）に対して充電を行う際には、ＥＣＵ７１により、充電用スイッチ５６（５７）がオンとされる一方で、エネルギー投入用スイッチ５８（５９）をオフとされる。また、コンデンサ５４（５５）に蓄えられた電力を点火プラグ１に投入する際には、ＥＣＵ７１により、充電用スイッチ５６（５７）がオフとされる一方で、エネルギー投入用スイッチ５８（５９）がオンとされる。

さらに、エネルギー投入部５２（５３）は、ダイオード６２，６４（６３，６５）を備えており、コンデンサ５４（５５）に対する充電時や、点火プラグ１に対する電力の投入時に、電流の逆流が生じないように構成されている。また、エネルギー投入部５２（５３）には、コイル６６（６７）が設けられており、当該コイル６６，６７により点火プラグ１に対して電力が一気に投入されてしまうことを防止できるようになっている。

前記ＥＣＵ７１は、点火プラグ１に対する電圧の印加タイミングや電力の投入タイミングを制御するものである。また、ＥＣＵ７１は、充電用スイッチ５６，５７やエネルギー投入用スイッチ５８，５９を制御することで、１回の火花放電中に、コンデンサ５４，５５に蓄えられた電力を点火プラグ１に対して複数回投入できるように構成されている。

例えば、両充電用スイッチ５６，５７をオンとする一方で、両エネルギー投入用スイッチ５８，５９をオフとすることで、コンデンサ５４，５５を充電しておく。そして、両充電用スイッチ５６，５７をオフとした上で、火花放電（通電信号がオフとされるタイミング）に合わせて、第１エネルギー投入用スイッチ５８をオンとすることで、第１コンデンサ５４に蓄えられた電力を点火プラグ１に投入する。さらに、火花放電中であって、第１コンデンサ５４から点火プラグ１に対する電力の投入が完了した後に、第２エネルギー投入用スイッチ５９をオンとして、第２コンデンサ５５から点火プラグ１へと電力を投入する。このように各スイッチ５６〜５９を制御することで、１回の火花放電中において、電力を複数回投入することができる。

また、火花放電中にコンデンサ５４，５５の充電を行うことで、１回の火花放電中に、エネルギー投入部５２，５３の数よりも多くの回数の電力を点火プラグ１に投入することが可能である。従って、例えば、図３に示すように、第１エネルギー投入部５２においては、第１充電用スイッチ５６をオンとしつつ、第１エネルギー投入用スイッチ５８をオフとすることで、第１コンデンサ５４への充電を行う。一方で、第２エネルギー投入部５３においては、第２充電用スイッチ５７をオフとしつつ、火花放電に合わせて、第２エネルギー投入用スイッチ５９をオンとすることで、点火プラグ１に対して第２コンデンサ５５に蓄えられた電力を投入する。以降においては、各スイッチ５６〜５９のオン・オフをそれぞれ切り替えることで、各エネルギー投入部５２，５３において、点火プラグ１に対する電力の投入と、コンデンサ５４，５５への充電とを交互に行う。これにより、２つのエネルギー投入部５２，５３を用いて、１回の火花放電中に、点火プラグ１に対して電力を多数回投入することができる。

尚、本実施形態では、ＥＣＵ７１により、電力の投入タイミングが次のように制御されている。すなわち、図４に示すように、１回の火花放電に対応して複数回に亘って間隙２９に電力が投入されるとともに、１回の火花放電中における２回目以降の電力の投入開始タイミングが、直前の電力の投入終了タイミングよりも後で、かつ、当該投入終了タイミングから５０μｓ以内とされている。一方で、１回の火花放電中において最後に投入される電力の投入開始タイミングは、当該火花放電の開始から５００μｓ以内とされている。尚、「投入終了タイミング」とあるのは、投入された電力の電流値が、その電力を投入したときのピーク値の５％以下となったときをいう。

加えて、電力の投入時にエネルギー投入部５１から間隙２９に供給されるエネルギーは、キャビティ部２８の形状に対応して、次のように設定されている。すなわち、１回の電力を投入する際にエネルギー投入部５１から間隙２９に対して供給されるエネルギーをＥ（ｍＪ）とし、キャビティ部２８の内径をＤ（ｍｍ）としたとき（図５参照）、Ｄ≦０．８のとき、Ｅ≧１９（ｍＪ／ｍｍ²）×π×（０．４ｍｍ）²を満たし、Ｄ＞０．８のとき、Ｅ≧１９（ｍＪ／ｍｍ²）×π×（Ｄ／２）²を満たすように、１回の電力投入時に供給されるエネルギーが設定されている。尚、本実施形態では、キャビティ部２８の内径Ｄ（ｍｍ）が、０．５≦Ｄ≦２．０を満たすように構成されている。また、両電極５，２７間の絶縁性を十分に保ちつつ、放電電圧の過大を防止すべく、キャビティ部２８の軸線ＣＬ１に沿った長さが０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とされている。

さらに、エネルギー投入部５１から複数回エネルギーが投入されることに対応して、キャビティ部２８の形状が設定されている。すなわち、軸孔４の先端から軸線ＣＬ１方向後端側に少なくとも０．５ｍｍの範囲において、軸孔４には、内径が一定のストレート部４Ｓが形成されている。尚、図６に示すように、軸孔４のうち、その先端から軸線ＣＬ１方向後端側に少なくとも０．５ｍｍの範囲において、ストレート部４Ｓに代えて、軸線ＣＬ１方向先端側に向けて拡径するテーパ状の拡径部４Ｔを設けることとしてもよい。但し、拡径部４Ｔを設ける場合には、軸線ＣＬ１を含む断面において、拡径部４Ｔの外形線と軸線ＣＬ１とのなす角のうち鋭角の角度をα（°）としたとき、０＜α≦１５を満たすように拡径部４Ｔを形成することが好ましい。また、軸孔４のうち、ストレート部４Ｓや拡径部４Ｔよりも軸線ＣＬ１方向後端側の部位に、軸線ＣＬ１方向先端側に向けて縮径する縮径部を設けることとしてもよい。尚、拡径部４Ｔや前記縮径部を設けた場合など、軸線ＣＬ１方向に沿ってキャビティ部２８の内径が変動する場合、「キャビティ部２８の内径Ｄ」とあるのは、軸線ＣＬ１方向に沿ったキャビティ部２８の複数箇所（例えば、キャビティ部２８のうち、最も先端側の部分や最も後端側の部分）における内径の平均値をいう。

以上詳述したように、本実施形態によれば、１回の火花放電に対応して複数回に亘って電力が投入されるとともに、２回目以降の電力の投入開始タイミングが直前の電力の投入終了タイミングよりも後とされている。従って、直前の電力投入により生じたプラズマがキャビティ部２８から噴出する一方で、プラズマを生成するための外気がキャビティ部２８内に十分に流入した状態で、２回目以降の電力が投入される。そのため、２回目以降の電力投入時にも十分に大きなプラズマを生成することができる。

さらに、本実施形態においては、２回目以降の電力の投入開始タイミングが直前の電力の投入終了タイミングから５０μｓ以内とされており、直前の電力投入により生成されたプラズマが消失する前のタイミングで次のプラズマが生成されるように構成されている。従って、直前の電力投入により生成されたプラズマを次の電力投入により生成された大きなプラズマにより押し出す形でキャビティ部２８から勢いよく噴出させることができる。その結果、着火性を飛躍的に向上させることができる。

また、本実施形態の点火システム１０１によれば、１回当たりに投入される電力の電流ピーク値を比較的小さくしても着火性を十分に向上させることができるため、電力の投入に伴う中心電極５の熱負荷を低減させることができる。従って、中心電極５の消耗抑制を図ることができ、中心電極５の消耗に伴う放電電圧の上昇を抑制することができる。その結果、チャンネリングの抑制や火花放電等が可能な期間の長期化を図ることができ、優れた着火性を長期間に亘って維持することができる。

さらに、本実施形態では、キャビティ部２８の内径をＤ（ｍｍ）とし、１回の電力を投入する際にエネルギー投入部５１から間隙２９に対して供給されるエネルギーをＥ（ｍＪ）としたとき、Ｄ≦０．８のとき、Ｅ≧１９（ｍＪ／ｍｍ²）×π×（０．４ｍｍ）²を満たし、Ｄ＞０．８のとき、Ｅ≧１９（ｍＪ／ｍｍ²）×π×（Ｄ／２）²を満たすように構成されている。従って、電力を投入した際に、プラズマによってキャビティ部２８内をより確実に満たすことができる。そのため、直前に生じたプラズマを次に生じたプラズマによって一層確実に押し出すことができ、着火性をより確実に向上させることができる。

加えて、１回の火花放電中において最後に投入される電力の投入開始タイミングが、当該火花放電の開始から５００μｓ以内とされている。つまり、火花放電が継続しており、かつ、間隙２９の抵抗値が十分に小さい状態で、１回の火花放電中における最後の電力が投入されるように構成されている。従って、１回の火花放電中における最後の電力投入の際にもプラズマをより確実に生成することができ、着火性を効率よく向上させることができる。

併せて、キャビティ部の内径Ｄが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とされているため、中心電極の熱伝導性を高めることができるとともに、キャビティ部２８をプラズマで満たすために必要な供給エネルギーを十分に小さなものとすることができる。その結果、中心電極５の耐消耗性を一層向上させることができる。

また、キャビティ部２８の先端側に、０．５ｍｍ以上と十分な長さを有するストレート部４Ｓが形成されており、キャビティ部２８の開口がすぼまることなく形成されている。そのため、キャビティ部２８内への外気の流入がよりスムーズに行われることとなり、電力の投入時に、一層大きなプラズマを生成することができる。また、キャビティ部２８の先端部にストレート部４Ｓを設けることで、キャビティ部２８から噴出する際のプラズマの拡散を抑制することができる。従って、これらの効果が相乗的に作用することにより、着火性をより一層向上させることができる。また、キャビティ部２８内への外気の流入がよりスムーズとなることで、中心電極５の熱負荷をさらに低減させることができ、中心電極５の耐消耗性をより一層向上させることができる。尚、ストレート部４Ｓに代えて、軸線ＣＬ１方向先端側に向けて内径が拡径する拡径部４Ｔを設けた場合には、キャビティ部２８内への外気の流入がより一層スムーズとなり、着火性の一層の向上を期待できる。また、拡径部４Ｔの角度αを０°より大きく１５°以下とすることで、噴出時におけるプラズマの拡散を防止することができる。

加えて、中心電極５の先端部や接地電極２７が、ＷやＩｒ等、又は、これらの金属のうち少なくとも一種を主成分とする合金により形成されている。従って、火花放電等に対する中心電極５や接地電極２７の耐消耗性を向上させることができ、中心電極５や接地電極２７の消耗に伴う放電電圧の上昇を抑制することができる。その結果、火花放電等が可能な期間をより長期化させることができ、優れた着火性を一層長期間に亘って維持することができる。

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、図７（ａ）に示すように、キャビティ部を有し、中心電極及び接地電極間に形成された間隙がキャビティ部内に位置してなる点火プラグのサンプルＡ（実施例に相当する）と、図７（ｂ）に示すように、中心電極が絶縁碍子の先端から軸線方向先端側に突出し、キャビティ部が形成されていない点火プラグのサンプルＢ（比較例に相当する）とを作製し、両サンプルについて、１回の火花放電に対応して１回、２回、又は、３回電力を投入したときのフレーム面積を測定した。尚、フレーム面積は次のように測定した。すなわち、サンプルを所定のチャンバーに取付けた上で、チャンバー内の圧力を０．４ＭＰａとし、チャンバー内の雰囲気を標準ガス雰囲気（大気雰囲気）とした。そして、投入されるエネルギーの合計が６０ｍＪとなるように１回に投入される電力を設定した上で（つまり、１回の火花放電に対応して電力を２回投入する場合には、１回の電力を投入する際に供給されるエネルギーを３０ｍＪとし、１回の火花放電に対応して３回電力を投入する場合には、１回の電力を投入する際に供給されるエネルギーを２０ｍＪとした上で）、サンプルＡにおいては、貫通孔よりも先端側の部位〔図７（ａ）の点線で囲んだ部位〕の火花放電から１００μｓ後のシュリーレン画像を、サンプルＢにおいては、中心電極と接地電極との間に形成された間隙及びその近傍〔図７（ｂ）の点線で囲んだ部位〕の火花放電から１００μｓ後のシュリーレン画像をそれぞれ得た。次いで、得られたシュリーレン画像を所定の閾値で二値化して、高密度の部分（つまり、プラズマが生成された部分）の面積をフレーム面積として測定した。尚、当該試験では、チャンバー内を標準ガス雰囲気としているため、フレーム（プラズマ）により混合気等への着火等は行われず、測定されたフレーム面積は、生成されたプラズマ自体の大きさを直接的に示す。また、電力を２回又は３回投入する場合、２回目以降の電力の投入開始タイミングは、直前の電力の投入終了タイミングよりも後で、かつ、当該投入終了タイミングから５０μｓ以内とした。さらに、サンプルＡについては、キャビティ部の内径Ｄを１．０ｍｍとし、間隙の大きさＧを１．０ｍｍとした。加えて、サンプルＢについては、中心電極及び接地電極ともにφ０．４ｍｍの針状のチップ部材を備えており、両チップ部材の間に間隙を形成するとともに、当該間隙の大きさＧを１．０ｍｍとした。図８に、両サンプルにおける、１回の火花放電に対する電力の投入回数とフレーム面積との関係を表すグラフを示す。尚、図８においては、サンプルＡの試験結果を丸印で示し、サンプルＢの試験結果を三角で示す。

図８に示すように、電力の投入回数を１回とした場合には、サンプルＢのフレーム面積がサンプルＡのフレーム面積よりも大きかったが、電力の投入回数を２回以上とした場合には、サンプルＡのフレーム面積がサンプルＢのフレーム面積を優に上回り、サンプルＡ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、キャビティ部の存在により生成されたプラズマの軸線方向先端側に向けた噴出力が高められ、かつ、直前に生成されたプラズマが、次のタイミングで生成されたプラズマに押し出される形となって勢いよく噴出したことに起因すると考えられる。

次に、１回の火花放電に対する電力の投入回数を２回とした上で、１回目の電力の投入終了タイミングから２回目の電力の投入開始タイミングまでの間隔（投入間隔）を種々変更した際のフレーム面積を測定した。尚、当該試験においては、サンプルＡを所定のチャンバーに取付けた上で、チャンバー内の圧力を０．４ＭＰａ、チャンバー内の雰囲気を標準ガス雰囲気、１回の電力を投入する際の供給エネルギーを３０ｍＪとして、火花放電から２００μｓ後のシュリーレン画像を得るとともに、得られたシュリーレン画像を上記試験と同一の閾値にて二値化することでフレーム面積を測定した。図９に、投入間隔とフレーム面積との関係を表すグラフを示す。尚、「電力の投入終了タイミング」は、投入された電力の電流値が、その電力を投入したときのピーク値の５％以下となったときとした。また、図９において、投入間隔がマイナスとなっているのは、１回目の電力と少なくとも一部が重複するようにして２回目の電力を投入したことを意味する。

図９に示すように、投入間隔をマイナスとした場合には、フレーム面積が比較的小さくなってしまい、着火性を十分に向上できないことが分かった。これは、２回目の電力を投入したとき、１回目の電力投入により生じたプラズマがキャビティ部内に充満していたため、キャビティ部内に次のプラズマを生成するために必要な外気が十分に存在していなかったことによると考えられる。

また、投入間隔を５０μｓよりも大きくした場合にも、着火性を十分に向上できないことが確認された。これは、投入間隔が広すぎたために、１回目の電力投入により生じたプラズマが、２回目の電力投入によりプラズマが生じる前にほとんど消失してしまい、前段のプラズマをその次のプラズマにより押し出すという効果が十分に発揮されなかったこと（つまり、それぞれのプラズマが個別に生成されるに過ぎなくなってしまったこと）によると考えられる。

これに対して、２回目の電力の投入開始タイミングを１回目の電力の投入終了タイミングよりも後で、かつ、当該投入終了タイミングから５０μｓ以内とした場合（投入間隔を０μｍ〜５０μｍとした場合）には、フレーム面積が飛躍的に増大し、着火性に優れることが明らかとなった。これは、投入間隔を０μｓ超としたことで、２回目の電力を投入した際に、キャビティ部内に次のプラズマを生成するために必要な外気が十分に存在していたため、２回目の電力投入により十分に大きなプラズマを生成でき、さらに、投入間隔を５０μｓ以内としたことで、１回目の電力投入により生じたプラズマが消失する前に、当該プラズマを２回目の電力投入により生じた大きなプラズマによりキャビティ部外へと押し出すことができたためであると考えられる。また、投入間隔を１０μｓ以上５０μｓ以下とすることでフレーム面積が３．０ｍｍ²を超え、特に投入間隔を１０μｓ以上４０μｓ以下とすることでフレーム面積が一層増大し、非常に優れた着火性を実現できることが確認された。

以上の試験結果より、キャビティ部を有するプラズマジェット点火プラグにおいて、着火性の向上を図るためには、１回の火花放電に対応して複数回に亘って電力を投入するとともに、１回の火花放電中における２回目以降の電力の投入開始タイミングを、直前の電力の投入終了タイミングよりも後で、かつ、当該投入終了タイミングから５０μｓ以内とすることが好ましいといえる。

次いで、キャビティ部の内径Ｄ（ｍｍ）を変更することで、軸線と直交する方向に沿ったキャビティ部の断面積Ｓ（ｍｍ²）を種々変更したプラズマジェット点火プラグのサンプルを作製するとともに、各サンプルを所定のチャンバーに取付けた上で、チャンバー内の圧力を０．４ＭＰａ、チャンバー内の雰囲気を標準ガス雰囲気として、プラズマが接地電極の貫通孔から０．４ｍｍ以上噴出するために必要な電力投入時の供給エネルギーＥをそれぞれのサンプルについて測定した。尚、プラズマの噴出量は、露光時間を十分に長いもの（約１ｓ）としたカメラにより撮像したプラズマの画像（当該画像には、噴出量が最大となったときのプラズマが表される）に基づいて算出した。図１０に、キャビティ部の断面積Ｓと供給エネルギーＥとの関係を表すグラフを示し、図１１に、キャビティ部の内径Ｄと供給エネルギーＥとの関係を表すグラフを示す。尚、当該試験において、０．４ｍｍを基準として供給エネルギーＥを測定したのは、プラズマの噴出量を０．４ｍｍ以上とすることで、キャビティ部内をプラズマにより十分に満たすことができ、直前のプラズマを次のプラズマにより押し出す効果がより確実に発揮されることを鑑みたものである（尚、プラズマの噴出量が０．４ｍｍ未満であっても、プラズマを押し出す効果は十分に得られる）。また、各サンプルにおいては、キャビティ部の軸線方向に沿った長さを０．５ｍｍ〜２．５ｍｍとした。

図１０及び図１１に示すように、キャビティ部の内径Ｄを０．８ｍｍ以下（断面積Ｓを約０．５０３ｍｍ²以下）としたサンプルでは、供給エネルギーＥを約９．６ｍＪ〔＝１９（ｍＪ／ｍｍ²）×π×（０．４ｍｍ）²〕とすることで、また、キャビティ部の内径Ｄを０．８ｍｍ超としたサンプルでは、供給エネルギーＥを１９（ｍＪ／ｍｍ²）×π×（Ｄ／２）²以上とすることで、プラズマを十分に噴出させることができる（つまり、キャビティ部内をプラズマで満たすことができる）ことが分かった。

上記試験の結果より、キャビティ部内をプラズマで満たし、着火性をより向上させるという観点から、Ｄ≦０．８のとき、Ｅ≧１９（ｍＪ／ｍｍ²）×π×（０．４ｍｍ）²を満たし、Ｄ＞０．８のとき、Ｅ≧１９（ｍＪ／ｍｍ²）×π×（Ｄ／２）²を満たすように、キャビティ部の内径Ｄに応じて、１回の電力を投入する際に供給されるエネルギーを調整することが好ましいといえる。

次いで、上記試験と同条件（内圧０．４ＭＰａ、標準ガス雰囲気）に設定したチャンバーに点火プラグを取付けた上で、１回の火花放電に対して１回の電力を投入するように設定し、火花放電から電力投入が開始されるまでの時間（投入遅延時間）を種々変更しつつ、各投入遅延時間において１００回ずつ電力を投入した。そして、電力投入時の電流波形を観察することでプラズマが正常に生成された回数（正常生成回数）を計測するとともに、１００回中における正常生成回数の割合（正常生成率）を算出した。表１に、各投入遅延時間における正常生成率をそれぞれ示す。尚、電力投入時の供給エネルギーを６０ｍＪとし、また、用いた点火プラグは、上記サンプルＡと同一の形状とした。

表１に示すように、投入遅延時間を５００μｓよりも大きくした場合には、プラズマの安定的な生成に支障が生じ得ることが分かった。これは、投入遅延時間を過度に大きくしたことで、電力の投入時に火花放電が既に終了してしまっていたり、間隙の抵抗値が火花放電の直後よりも上昇してしまったりしたためであると考えられる。

これに対して、投入遅延時間を５００μｓ以内とした場合には、正常生成率が１００％となり、極めて安定的にプラズマを生成できることが確認された。これは、電力の投入時に、火花放電が継続しており、かつ、間隙の抵抗値が十分に小さかったことによると考えられる。

上記試験の結果より、プラズマを安定的に生成するという観点から、１回の火花放電中において最後に投入される電力の投入開始タイミングを、その火花放電の開始から５００μｓ以内とすることが好ましいといえる。

次に、キャビティ部の内径Ｄ（ｍｍ）を種々変更した点火プラグのサンプルを作製するとともに、上記試験と同条件に設定したチャンバーに各サンプルを取付けた上で、印加電圧の周波数を６０Ｈｚとして各サンプルを火花放電させるとともに、１回の火花放電に対応して２回電力を投入し、プラズマを発生させた。そして、中心電極の消耗体積が１ｍｍ³に到達するまでの時間（耐久時間）を各サンプルごとに測定した。図１２に、キャビティ部の内径Ｄと、耐久時間との関係を表すグラフを示す。尚、１回当たりに投入される電力のエネルギーＥは、Ｅ＝１９（ｍＪ／ｍｍ²）×π×（Ｄ／２）²を満たすように（つまり、プラズマ噴出量が少なくとも０．４ｍｍ以上となり、キャビティ部をプラズマで満たすことが可能なエネルギーに）設定した。また、各サンプルともに、中心電極の先端部をＷ合金により構成した。

図１２に示すように、キャビティ部の内径Ｄを０．５ｍｍよりも小さくしたサンプルは、耐消耗性に劣ることが明らかとなった。これは、キャビティ部の内径を小さくしたことで、中心電極の先端部も細くなり、ひいては中心電極の熱引きが悪化してしまったことによると考えられる。

また、キャビティ部の内径Ｄが２．０ｍｍを超えるサンプルについても、耐消耗性が不十分となってしまうことが分かった。これは、キャビティ部の内径Ｄを２．０ｍｍ超としたことで、キャビティ部をプラズマで満たすために必要なエネルギーが極めて大きくなってしまい、ひいては電力投入時に中心電極が消耗しやすくなってしまったためであると考えられる。

これに対して、キャビティ部の内径Ｄを０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下としたサンプルは、耐久時間が３００時間を超え、優れた耐消耗性を有することが確認された。

上記試験結果より、中心電極の耐消耗性を向上させるべく、キャビティ部の内径Ｄを０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることが好ましいといえる。

次に、図１３（ａ）に示すように、キャビティ部のうち中心電極側の部位に軸線方向先端側に向けて縮径する縮径部を設ける一方で、軸孔（キャビティ部）の先端から軸線方向後端側に内径が一定のストレート部を設け、かつ、軸線に沿ったストレート部の長さＬ１（ｍｍ）を種々変更した点火プラグのサンプル（サンプルＣ）と、図１３（ｂ）に示すように、キャビティ部全域が軸線方向先端側に向けて縮径してなる（つまり、ストレート部が設けられていない）点火プラグのサンプル（サンプルＤ）とを作製し、各サンプルについてフレーム面積を測定した。図１５に、ストレート部の長さＬ１とフレーム面積との関係を表すグラフを示す（図１５において、ストレート部の長さＬ１が０ｍｍの試験結果が、ストレート部の設けられていないサンプルＤの試験結果を示す）。尚、当該試験においては、１回の火花放電に対して投入間隔を２０μｓとして２回の電力を投入するとともに、１回に投入される電力のエネルギーをそれぞれ３０ｍＪとした。さらに、フレーム面積は、火花放電から１００μｓ後のシュリーレン画像に基づいて測定した。また、各サンプルともに、キャビティ部のうち、軸線方向において中心電極の先端面に対応する部位の内径Ｘを１．０ｍｍとし、ストレート部と縮径部との境界部分（ストレート部のないサンプルＤにおいては、キャビティ部の先端）における内径Ｙを０．８ｍｍとした。加えて、軸線に沿ったキャビティ部の長さＫを１．０ｍｍとした。

図１５に示すように、ストレート部を設けなかったサンプルＤや、ストレート部を設けたものの、その長さＬを０．５ｍｍ未満としたサンプルと比較して、０．５ｍｍ以上の長さのストレート部を有するサンプルは、フレーム面積が増大し、着火性の更なる向上を実現できることが明らかとなった。これは、キャビティ部の先端側に十分な長さのストレート部を設けたことで、キャビティ部内へと外気がよりスムーズに流入することとなり、２回目の電力の投入時に、一層大きなプラズマを生成できたことによると考えられる。

次いで、図１４のように、キャビティ部のうち中心電極側の部位に軸線方向先端側に向けて縮径する縮径部を設ける一方で、軸孔（キャビティ部）の先端側に軸線方向先端側に向けて内径が拡径する拡径部を設け、かつ、軸線に沿った拡径部の長さＬ２（ｍｍ）を０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、又は、０．７ｍｍとするとともに、軸線を含む断面において、拡径部の外形線と軸線とのなす角のうち鋭角の角度α（°）を種々変更した点火プラグのサンプル（サンプルＥ）を作製し、各サンプルについてフレーム面積を測定した。図１６に、当該試験の試験結果を示す。尚、図１６においては、拡径部の長さＬ２を０．３ｍｍとしたサンプルの試験結果を丸印で示し、拡径部の長さＬ２を０．５ｍｍとしたサンプルの試験結果を三角で示し、拡径部の長さＬ２を０．７ｍｍとしたサンプルの試験結果を四角で示す。また、当該試験においては、１回の火花放電に対して投入間隔を２０μｓとして２回の電力を投入するとともに、１回に投入される電力のエネルギーをそれぞれ３０ｍＪとした。さらに、フレーム面積は、火花放電から１００μｓ後のシュリーレン画像に基づいて測定した。加えて、内径Ｘを１．０ｍｍ、キャビティ部の長さＫを１．０ｍｍとするとともに、縮径部と拡径部との境界部分における内径Ｚを０．８ｍｍとした。

図１６に示すように、拡径部の長さＬ２を０．５ｍｍ以上としたサンプルは、フレーム面積が増大し、着火性に優れることが確認された。これは、これは、十分な長さの拡径部を設けたことで、キャビティ部内への外気の流入がよりスムーズに行われたためであると考えられる。また、このようなサンプルの中でも特に角度αを１５°以下としたものは、フレーム面積が一層大きなものとなり、着火性に極めて優れることが分かった。これは、角度αを比較的小さくしたことで、噴出するプラズマの拡散が抑制されたことによると考えられる。

上記試験の結果より、着火性の更なる向上を図るべく、軸孔（キャビティ部）の先端から軸線方向後端側に少なくとも０．５ｍｍの範囲において、軸孔に、内径が一定のストレート部、及び、軸線方向先端側に向けて拡径する拡径部の少なくとも一方を設けることが好ましいといえる。また、着火性をより一層向上させるためには、長さ０．５ｍｍ以上の拡径部を設けるとともに、拡径部の角度αを０°＜α≦１５°を満たすように設定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）上記実施形態における、エネルギー投入部５１の構成は例示であって、エネルギー投入部は、１回の火花放電に対応して複数回に亘って間隙２９に電力を投入可能な装置であればよい。従って、例えば、図１７に示すように、並列に接続された第１エネルギー投入部８２及び第２エネルギー投入部８３と、負極性の電圧を発生させる電源ＰＴとを備えたエネルギー投入部８１を用いることとしてもよい。尚、エネルギー投入部８２（８３）は、コンデンサ８４（８５）と、当該コンデンサ８４（８５）に対して直列的に接続された逆流防止用のダイオード８６（８７）と、当該ダイオード８６（８７）に対して並列に接続されたスイッチ８８（８９）とを備えている。また、コンデンサ８４（８５）の一端は、電源ＰＴ及び点火プラグ１間に接続されており、ダイオード８６（８７）のうちコンデンサ８４（８５）に接続される側と反対側の端は接地されている。加えて、スイッチ８８（８９）は、ＥＣＵ７１により制御されており、ＥＣＵ７１によりスイッチ８８（８９）がオフとされることで、電源ＰＴによりコンデンサ８４（８５）の充電が行われ、一方で、ＥＣＵ７１によりスイッチ８８（８９）がオンとされることで、点火プラグ１に対してコンデンサ８４（８５）に蓄えられた電力が投入される。このように構成されたエネルギー投入部８１によれば、上記実施形態におけるエネルギー投入部５１と同様に、スイッチ８８（８９）のオン・オフを制御することで、１回の火花放電に対応して複数回に亘って電力を投入することができる。

（ｂ）上記実施形態では、各スイッチ５６〜５９，８８，８９がＭＯＳＦＥＴにより構成されているが、各スイッチを他の半導体スイッチ（例えば、トランジスタ等）や機械的なスイッチにより構成することとしてもよい。

（ｃ）上記実施形態では、ＥＣＵ７１によりエネルギー投入部５２，５３，８２，８３が制御されているが、マイクロコンピュータ等を別途設け、当該マイクロコンピュータによりエネルギー投入部５２，５３，８２，８３を制御することとしてもよい。

（ｄ）上記実施形態では、各点火プラグ１ごとに放電用電源４１やエネルギー投入部５１が設けられているが、各点火プラグ１ごとに放電用電源４１等を設けることなく、放電用電源やエネルギー投入部からの電力をディストリビュータを介して各点火プラグ１に供給することとしてもよい。

（ｅ）上記実施形態では、接地電極２７がＷやＩｒ等の金属により形成されているが、接地電極２７のうち火花放電に伴い消耗する内周側の部位のみをＷやＩｒ等の金属により構成することとしてもよい。

（ｆ）上記実施形態では、中心電極５の先端部に電極チップ５Ｃが設けられているが、電極チップ５Ｃを設けることなく、中心電極５を構成することとしてもよい。

１…プラズマジェット点火プラグ
２…絶縁碍子（絶縁体）
４…軸孔
４Ｓ…ストレート部
４Ｔ…拡径部
５…中心電極
２７…接地電極
２８…キャビティ部
２９…間隙
４１…放電用電源
５１…エネルギー投入部
１０１…点火システム
ＣＬ１…軸線

Claims (9)

1. 軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、先端面が前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向後端側に位置するように前記軸孔内に挿設される中心電極と、前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向先端側に位置するように配置されるとともに前記中心電極との間に間隙を形成する接地電極と、前記軸孔の内周面と前記中心電極の先端面により形成されるキャビティ部とを有するプラズマジェット点火プラグと、
   前記間隙に電圧を印加する放電用電源と、
   前記間隙に電力を投入するエネルギー投入部とを備え、
   前記放電用電源から前記間隙に電圧を印加することで前記間隙に火花放電を発生させるとともに前記間隙に電力を投入することで前記キャビティ部にプラズマを生成可能な点火システムであって、
   前記エネルギー投入部は、１回の火花放電に対応して複数回に亘って前記間隙に電力を投入可能に構成されており、
   １回の火花放電中における２回目以降の電力の投入開始タイミングが、直前の電力の投入終了タイミングよりも後で、かつ、当該投入終了タイミングから５０μｓ以内とされることを特徴とする点火システム。
2. 前記キャビティ部の内径をＤ（ｍｍ）とし、１回の電力を投入する際に前記エネルギー投入部から前記間隙に対して供給されるエネルギーをＥ（ｍＪ）としたとき、
   Ｄ≦０．８のとき、Ｅ≧１９（ｍＪ／ｍｍ²）×π×（０．４ｍｍ）²を満たし、
   Ｄ＞０．８のとき、Ｅ≧１９（ｍＪ／ｍｍ²）×π×（Ｄ／２）²を満たすことを特徴とする請求項１に記載の点火システム。
3. １回の火花放電中において最後に投入される電力の投入開始タイミングが、当該火花放電の開始から５００μｓ以内とされることを特徴とする請求項１又は２に記載の点火システム。
4. 前記キャビティ部の内径をＤ（ｍｍ）としたとき、０．５≦Ｄ≦２．０を満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の点火システム。
5. 前記軸孔の先端から前記軸線方向後端側に少なくとも０．５ｍｍの範囲において、前記軸孔には、内径が一定のストレート部、及び、前記軸線方向先端側に向けて拡径する拡径部の少なくとも一方が形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の点火システム。
6. 前記軸孔の先端から前記軸線方向後端側に少なくとも０．５ｍｍの範囲において、前記軸孔には前記拡径部が形成されており、
   前記軸線を含む断面において、
   前記拡径部の外形線と前記軸線とのなす角のうち鋭角の角度をα（°）としたとき、
   ０＜α≦１５
   を満たすことを特徴とする請求項５に記載の点火システム。
7. 前記中心電極のうち、その先端から前記軸線方向後端側に０．３ｍｍまでの部位は、タングステン、イリジウム、白金、ニッケル、又は、これらの金属のうち少なくとも一種を主成分とする合金により構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の点火システム。
8. 前記接地電極は、タングステン、イリジウム、白金、ニッケル、又は、これらの金属のうち少なくとも一種を主成分とする合金により構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の点火システム。
9. 軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、先端面が前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向後端側に位置するように前記軸孔内に挿設される中心電極と、前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向先端側に位置するように配置されるとともに前記中心電極との間に間隙を形成する接地電極と、前記軸孔の内周面と前記中心電極の先端面により形成されるキャビティ部とを有するプラズマジェット点火プラグと、
   前記間隙に電圧を印加する放電用電源と、
   前記間隙に電力を投入するエネルギー投入部とを備え、
   前記放電用電源から前記間隙に電圧を印加することで前記間隙に火花放電を発生させるとともに前記間隙に電力を投入することで前記キャビティ部にプラズマを生成可能な点火システムの点火方法であって、
   前記エネルギー投入部により、１回の火花放電に対応して複数回に亘って前記間隙に電力が投入されるとともに、
   １回の火花放電中における２回目以降の電力の投入開始タイミングが、直前の電力の投入終了タイミングよりも後で、かつ、当該投入終了タイミングから５０μｓ以内とされることを特徴とする点火方法。

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