JP5486681B2 - プラズマジェット点火プラグ - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを形成して混合気への着火を行うプラズマジェット点火プラグに関する。

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前記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電圧を印加して、両者の間で火花放電を生じさせて両者の間を絶縁破壊する。その上で、両者の間に高エネルギーの電流を流すことによって放電状態を遷移させて、前記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。

ところで、より一層優れた着火性を実現する手法としては、火花放電後に流し込まれる電流をより高エネルギーなものとし、より大きなプラズマを発生させることが考えられる。ところが、高エネルギーの電流を流し込むと、中心電極が消耗しやすくなってしまい、火花放電の際に必要な電圧（放電電圧）が急速に増大してしまうおそれがある。

そこで、キャビティ部の内周面に段差部を設けたり、先端側に向けて縮径する縮径部を設けたりすることで、キャビティ部に絞りを設け、比較的低エネルギーの電流であっても優れた着火性を実現する手法が提案されている（例えば、特許文献１等参照）。

ＷＯ２００８／１５６０３５Ａ１

ところで、火花放電は、中心電極と接地電極との間において絶縁体の内周面を這って生じるため、火花放電によって火花放電経路上に位置する絶縁体が削られてしまう現象（いわゆる、チャンネリング）が生じてしまう。ここで、火花放電は、中心電極と接地電極との間において軸線にほぼ沿った方向で生じるところ、キャビティ部の内周面に段差部を設けた場合には、当該段差部（絶縁体の内周面）と火花放電の方向とがほぼ直交することとなってしまう。そのため、火花放電が絶縁体の内周面（段差部）に対して過度に押さえつけられた状態で生じることとなってしまい、前記段差部において急速にチャンネリングが進展してしまうおそれがある。チャンネリングが進展し、キャビティ部の容積が増大してしまうと、プラズマの噴出圧力が低下してしまい、ひいては着火性の低下を招いてしまうおそれがある。

これに対し、段差部に代えて連続的に縮径するテーパ状の内周面（縮径部）を設けるように構成すれば、火花放電の方向に対して絶縁体の内周面が直交してしまうという事態を防止することができる。ところが、この場合において、上記技術では、絶縁体の内周面のうち、中心電極の先端角部（中心電極の先端面と側面との間に位置する部位）に最も接近する部位が、縮径部の後端に位置する屈曲部分となっている。従って、火花放電は、電界強度の高い部位を基点として生じやすいところ、中心電極の先端角部と前記屈曲部分とは両者ともに電界強度が比較的高く、また、両者は接近しているため、火花放電が、前記屈曲部分を通過する経路で集中的に生じてしまうおそれがある。その結果、火花放電に伴い、前記屈曲部分においてチャンネリングが急速に進展してしまい、キャビティ部の容積が急激に増大してしまったり、絶縁体に貫通が生じてしまったりするおそれがある。

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、着火性の向上を図りつつ、チャンネリングの急速な進展を抑制することで、優れた着火性を長期間に亘って維持することができるプラズマジェット点火プラグ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．本構成のプラズマジェット点火プラグは、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して前記軸孔内に挿設される中心電極と、
前記絶縁体の外周に配置される主体金具と、
前記主体金具の先端部に固定された接地電極とを備え、
前記軸孔の内周面及び前記中心電極の先端面により形成されるキャビティ部を有するプラズマジェット点火プラグであって、
前記軸孔は、
前記中心電極の先端面から前記軸線方向先端側に向けて延び、同一の内径を有する第１ストレート部と、
前記第１ストレート部の先端から前記軸線方向先端側に向けて縮径する縮径部と、
を備え、
前記軸線を含む断面において、前記軸線と直交する直線と前記縮径部の外形線とのなす角のうち鋭角の角度をα（°）としたとき、
α≧１０
を満たすことを特徴とする。

尚、「同一の内径」とあるのは、軸線方向に沿って内径が厳密に一定のものだけでなく、軸線方向に沿って内径が若干変動しているものも含むという趣旨である。従って、例えば、内周面を軸線に対して若干（例えば、±５°まで）傾けるように構成することとしてもよい（以下、同様）。

上記構成１によれば、軸孔には、軸線方向先端側に向けて縮径する縮径部が設けられている。従って、キャビティ部の開口側（軸方向先端側）に向けたプラズマの噴出圧力を増大させることができ、キャビティ部開口からのプラズマ噴出長さをより大きなものとすることができる。その結果、着火性の向上を図ることができる。

一方、縮径部を設けることで、キャビティ部の容積の急激な増大等が懸念されるが、上記構成１によれば、軸線に直交する直線と縮径部の外形線とのなす角度αが１０°以上とされており、縮径部が、火花放電の方向に対して直交した状態となることなく、火花放電の方向に極力沿うようにして形成されている。従って、火花放電が縮径部に対して過度に押さえつけられた状態で生じてしまうという事態をより確実に抑制することができ、チャンネリングの急速な進展をより確実に防止することができる。

さらに、上記構成１によれば、中心電極の先端面と縮径部との間に第１ストレート部が設けられており、第１ストレート部と縮径部との間に形成される屈曲部分と中心電極の先端面とが軸線方向において離間するように構成されている。従って、火花放電が前記屈曲部分を通過する経路で集中的に生じてしまうという事態をより効果的に防止でき、火花放電経路をより分散させることができる。その結果、角度αを１０°以上とすることと相俟って、チャンネリングの急速な進展を極めて効果的に防止することができる。

以上のように、上記構成１によれば、角度αを１０°以上としつつ、第１ストレート部を設けることで、縮径部を設けることに伴うチャンネリングの急速な進展というデメリットを効果的に解消することができ、縮径部を設けることによる着火性の向上というメリットを長期間に亘って維持することができる。

構成２．本構成のプラズマジェット点火プラグは、上記構成１において、α≦４５を満たすことを特徴とする。

上記構成２によれば、角度αが４５°以下とされているため、キャビティ部のうち縮径部及び第１ストレート部で外周が形成される箇所（第１キャビティ部）の容積を十分に小さなものとすることができる。従って、第１キャビティ部においてプラズマの径方向への広がりを抑制することができ、軸線方向に沿ったプラズマの噴出速度をより増大させることができる。その結果、キャビティ部の開口からのプラズマの噴出長さをより大きくすることができ、着火性の更なる向上を図ることができる。

構成３．本構成のプラズマジェット点火プラグは、上記構成１又は２において、前記軸線に沿った前記第１ストレート部の長さを０．５ｍｍ以下としたことを特徴とする。

火花放電時には縮径部に対して電荷が衝突し得るところ、上記構成３によれば、軸線に沿った第１ストレート部の長さが０．５ｍｍ以下と比較的小さなものとされており、縮径部に対する電荷の衝突エネルギーを効果的に低減させることができる。その結果、チャンネリングをより一層確実に抑制することができ、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。

構成４．本構成のプラズマジェット点火プラグは、上記構成１乃至３のいずれかにおいて、前記中心電極の先端を含む前記軸線方向に直交する仮想平面と前記キャビティ部の開口との間における前記絶縁体の内周面の最短距離を１．０ｍｍ以上としたことを特徴とする。

プラズマの生成に伴い中心電極が磨耗すると、絶縁体の内周面に磨耗粉が付着し、中心電極と接地電極との間における絶縁抵抗が低下し得る。ここで、中心電極と接地電極との間における絶縁抵抗が過度に小さくなってしまうと、両者の間で電流のリークが生じやすくなってしまい、火花放電ひいてはプラズマの生成に支障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、中心電極の先端を含み、軸線と直交する仮想平面とキャビティ部の開口との間における絶縁体の内周面の最短距離が１．０ｍｍ以上と十分に大きく確保されている。従って、絶縁体の内周面に多少の磨耗粉が付着したとしても、中心電極と接地電極との間において十分な絶縁性能を維持することができる。その結果、電流のリークをより確実に防止することができ、ひいては上記構成１等による作用効果をより確実に発揮させることができる。

構成５．本構成のプラズマジェット点火プラグは、上記構成１乃至４のいずれかにおいて、前記接地電極は、前記絶縁体の先端面に接触しており、
前記中心電極の先端を含む前記軸線方向に直交する仮想平面と前記接地電極との間における前記絶縁体の内周面の最短距離を２．５ｍｍ以下としたことを特徴とする。

中心電極の消耗により放電電圧が徐々に増大していくことや、放電電圧が大きいほど絶縁体にチャンネリングが生じやすいことを鑑みると、初期（中心電極等の消耗前）における放電電圧を比較的低くすることが望ましい。

この点、上記構成５によれば、前記仮想平面と接地電極との間の絶縁体の内周面に沿った最短距離が２．５ｍｍ以下とされている。従って、初期の放電電圧を比較的低めに抑えることができ、放電電圧の増大に伴う放電異常やチャンネリングの進展をより効果的に防止することができる。

構成６．本構成のプラズマジェット点火プラグは、上記構成１乃至５のいずれかにおいて、前記軸孔は、前記縮径部の先端から前記キャビティ部の開口まで延び、同一の内径を有する第２ストレート部を有し、
前記第１ストレート部及び前記縮径部により外周が形成された第１キャビティ部の容積をＶ１（ｍｍ³）とし、
前記第２ストレート部により外周が形成された第２キャビティ部の容積をＶ２（ｍｍ³）としたとき、
０．２≦Ｖ２／Ｖ１≦３．０
を満たすことを特徴とする。

上記構成６によれば、第１キャビティ部の容積Ｖ１及び第２キャビティ部の容積Ｖ２が、０．２≦Ｖ２／Ｖ１≦３．０を満たすように構成されている。すなわち、０．２≦Ｖ２／Ｖ１を満たすことで、第１キャビティ部の容積を比較的小さなものとしつつ、第２キャビティ部の容積がある程度の大きさ確保されている。すなわち、第１キャビティ部の容積Ｖ１が過度に大きいと、第２キャビティ部で生成されたプラズマをキャビティ部の開口から噴出させるための噴出圧力が低下してしまうことが懸念されるが、第１キャビティ部の容積Ｖ１が比較的小さくされることで、第１キャビティ部で生成されたプラズマにより第１キャビティ部を満たすことができ、プラズマの噴出圧力を十分に大きなものとすることができる。また、第２キャビティ部の容積Ｖ２をある程度の大きさ確保することで、第１キャビティ部で生じた噴出圧力によりキャビティ部開口から噴出させられることとなるプラズマを十分に生成することができ、より大きなプラズマをキャビティ部の開口から噴出することができる。

さらに、第１キャビティ部の容積Ｖ１に対して第２キャビティ部の容積Ｖ２が過度に大きくされることなく、Ｖ２／Ｖ１≦３．０を満たすように構成されることで、第２キャビティ部で過度にプラズマが生成され、第１キャビティ部で生じた噴出圧力ではプラズマを十分に噴出することができないといった事態をより確実に防止でき、キャビティ部開口からのプラズマの噴出量を向上させることができる。

以上のように、上記構成６によれば、０．２≦Ｖ２／Ｖ１≦３．０を満たすことで、プラズマの噴出力や噴出量をより増大させることができ、着火性の更なる向上を図ることができる。

構成７．本構成のプラズマジェット点火プラグは、上記構成１乃至６のいずれかにおいて、前記接地電極は、板状であるとともに板厚方向に貫通する貫通孔を有し、
前記軸線と直交する仮想平面に対して、前記絶縁体の開口と、前記中心電極の先端面外周と、前記接地電極の内周とを前記軸線に沿って投影した際に、
前記絶縁体の開口の投影線と前記中心電極の先端面外周の投影線との間に、前記接地電極の内周の投影線が位置することを特徴とする。

上記構成７によれば、キャビティ部の開口が接地電極で覆われることなく構成されている。従って、プラズマの噴出が接地電極によって阻害されにくくなり、また、接地電極によってプラズマの熱が引かれてしまうことをより確実に防止できる。その結果、プラズマの成長を促進することができ、着火性をより一層向上させることができる。

一方で、キャビティ部の開口を接地電極で覆うことなく構成すると、火花放電は、中心電極の先端面外周と接地電極の貫通孔との間で、キャビティ部の開口を回り込むようにして生じることとなる。すなわち、火花放電は、接地電極に引っ張られるような経路で生じることとなり、その結果、絶縁体の内周面に対する火花放電の押さえつけがより強まってしまうおそれがある。

この点、上記構成７によれば、前記仮想平面において、中心電極を投影した領域よりも内側に接地電極の貫通孔を投影した領域が位置するように構成されており、火花放電の基点となる中心電極の先端面外周よりも内周側に接地電極の貫通孔が位置している。すなわち、中心電極の先端面外周と接地電極の貫通孔とを結んだ直線上で火花放電が生じた際に、絶縁体の内周面に対する火花放電の押さえ付けは最も弱まるところ、上記構成７によれば、火花放電が前記直線により近づいた経路で生じることとなる。従って、絶縁体の内周面に対する火花放電の押さえつけを効果的に弱めることができ、ひいてはチャンネリングをより確実に抑制することができる。

構成８．本構成のプラズマジェット点火プラグは、上記構成１乃至７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）、及び、ニッケル（Ｎｉ）のうち少なくとも一種を含む金属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、中心電極の先端部がＷやＩｒ等の少なくとも一種を含む金属により形成されている。そのため、火花放電等に対する中心電極の耐消耗性を向上させることができ、ひいては中心電極の消耗に伴う放電電圧の上昇スピードを抑制することができる。その結果、火花放電ひいてはプラズマ生成が可能な期間をより長期化できるとともに、チャンネリングをより一層抑制することができる。

構成９．本構成のプラズマジェット点火プラグは、上記構成１乃至８のいずれかにおいて、前記接地電極は、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、及び、Ｎｉのうち少なくとも一種を含む金属により構成されていることを特徴とする。

上記構成９によれば、接地電極は、ＷやＩｒ等の少なくとも一種を含む金属により形成されているため、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る。その結果、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、耐チャンネリング性の更なる向上を図ることができる。

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。 軸孔等の構成を示す部分拡大断面図である。 （ａ），（ｂ）は、縮径部の別例を示す部分拡大断面図である。 最短距離ＳＬ１，ＳＬ２等を説明するための部分拡大断面図である。 第１キャビティ部及び第２キャビティ部を説明するための拡大断面模式図である。 仮想平面に投影された中心電極先端面の投影線などを示す投影図である。 角度αを種々変更したサンプルにおける、着火性評価試験の結果を示すグラフである。 角度αを種々変更したサンプルにおける、耐久性評価試験の結果を示すグラフである。 比較例に相当するサンプルのキャビティ部等を示す部分拡大断面図である。 実施例に相当するサンプルのキャビティ部等を示す部分拡大断面図である。 第１ストレート部の長さＬを種々変更したサンプルにおける、耐久性評価試験の結果を示すグラフである。 最短距離ＳＬ２を種々変更したサンプルにおける、初期放電電圧測定試験の結果を示すグラフである。 Ｖ２／Ｖ１を種々変更したサンプルにおける、着火性評価試験の結果を示すグラフである。

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を示す一部破断正面図である。尚、図１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６１０等〕からなる外層５Ｂにより構成された母材５Ｃと、当該母材５Ｃの先端に接合された電極チップ５Ｄとから構成されている。さらに、中心電極５は、全体として棒状（円柱状）をなし、その先端面５Ｆが平坦状に形成されている。加えて、前記先端面５Ｆは、絶縁碍子２の先端面に対して後端側へと没入している。尚、本実施形態では、製造時における寸法誤差等を鑑みて、中心電極５の先端部の外周面と軸孔４の内周面との間に若干の隙間が形成されるように構成されている。

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、軸孔４の中心電極５と端子電極６との間には、円柱状のガラスシール層９が配設されており、当該ガラスシール層９を介して中心電極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が係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、円板状（例えば、厚さが０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下）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。また、接地電極２７は、自身の中央に板厚方向に貫通する貫通孔２８を有しており、当該貫通孔２８を介して後述するキャビティ部２９の内部と外部とが連通されるようになっている。尚、本実施形態においては、前記貫通孔２８と軸孔４とが同軸上に位置する（つまり、貫通孔２８の中心が前記軸線ＣＬ１上に位置する）ように接地電極２７が接合されている。また、絶縁碍子２の先端面に対して接地電極２７が面接触するように構成されている。

加えて、図２に示すように、絶縁碍子２の先端側には、前記軸孔４の内周面と中心電極５の先端面とにより形成されたキャビティ部２９が設けられている。キャビティ部２９は、軸線ＣＬ１と直交する方向において断面円形状をなす空間であり、先端側に向けて開口している。

次に、本実施形態の特徴部分である軸孔４の構成等について詳述する。

本実施形態において、軸孔４には、第１ストレート部４１と、第２ストレート部４２と、縮径部４３とが形成されている。

第１ストレート部４１は、中心電極５の先端面から軸線ＣＬ１方向先端側に向けて延び、同一の内径（例えば、１ｍｍ以上２ｍｍ以下）を有している。また、第２ストレート部４２は、キャビティ部２９の開口から軸線ＣＬ１方向後端側に向けて延び、同一の内径を有している。加えて、第２ストレート部４２は、第１ストレート部４１よりも小径（例えば、０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下）に形成されている。尚、第１ストレート部４１の内径や第２ストレート部４２の内径を軸線ＣＬ１に沿って若干増減させることとしてもよい。従って、第１ストレート部４１や第２ストレート部４２の内周面を、軸線ＣＬ１に対して若干（例えば、±５°以内）傾けることとしてもよい。

また、縮径部４３は、第１ストレート部４１と第２ストレート部４２との間に設けられ、軸線ＣＬ１方向先端側に向けて縮径するテーパ状をなしている。本実施形態では、軸線ＣＬ１を含む断面において、軸線ＣＬ１に直交する直線と縮径部４３の外形線とのなす角のうち鋭角の角度をα（°）としたとき、１０≦α≦４５を満たすように、縮径部４３が構成されている。

尚、縮径部４３の形状は、上述した形状に限定されるものではなく、図３（ａ）に示すように、軸線ＣＬ１を含む断面において、外形線が屈曲するように縮径部４３を構成することとしてもよい。また、図３（ｂ）に示すように、外形線が湾曲状をなすように縮径部４３を構成することとしてもよい。尚、これらの場合において、前記角度αとあるのは、第１ストレート部４１の先端と第２ストレート部４２の後端とを結んだ直線と、軸線ＣＬ１に直交する直線とのなす角のうち鋭角の角度をいう。

図２に戻り、本実施形態では、軸線ＣＬ１に沿った第１ストレート部４１の長さＬが、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下と比較的小さく設定されている。また、軸線ＣＬ１に沿った第２ストレート部４２の長さは、第１ストレート部４１の長さＬ以上（例えば、０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下）とされている。

さらに、図４に示すように、中心電極５の先端を含み、軸線ＣＬ１方向に直交する仮想平面ＶＳとキャビティ部２９の開口との間における絶縁碍子２の内周面に沿った最短距離ＳＬ１が１．０ｍｍ以上とされており、中心電極５と接地電極２７との間に十分に大きな間隔が形成されている。一方で、放電電圧の増大を防止すべく、前記仮想平面ＶＳと接地電極２７との間における絶縁碍子２の内周面に沿った最短距離ＳＬ２は２．５ｍｍ以下とされている。

併せて、図５（尚、図５では、図示の便宜上、中心電極５や絶縁碍子２等のハッチングを省略している）に示すように、キャビティ部２９のうち、第１ストレート部４１及び縮径部４３により外周が形成された第１キャビティ部２９１（図５中、斜線を付した部位）の容積をＶ１（ｍｍ³）とし、キャビティ部２９のうち、第２ストレート部４２により外周が形成された第２キャビティ部２９２（図５中、散点模様を付した部位）の容積をＶ２（ｍｍ³）としたとき、０．２≦Ｖ２／Ｖ１≦３．０を満たすように構成されている。

さらに、中心電極５、接地電極２７、及び、キャビティ部２９は、次の関係を満たす位置にそれぞれ配設されている。すなわち、図６に示すように、軸線ＣＬ１と直交する仮想平面ＰＳに対して、絶縁碍子２の開口（キャビティ部２９の開口）と、中心電極５の先端面５Ｆの外周と、接地電極２７の内周（貫通孔２８の内周）とを軸線ＣＬ１に沿って投影した際に、絶縁碍子２の開口の投影線ＰＬ１と先端面５Ｆの外周の投影線ＰＬ２との間に、接地電極２７の内周の投影線ＰＬ３が位置している。

加えて、前記電極チップ５Ｄは、中心電極５の先端から少なくとも軸線ＣＬ１方向後端側に０．３ｍｍまでの部位を構成しており、タングステン（Ｗ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）のうち少なくとも一種を含む金属により構成されている。

また、電極チップ５Ｄと同様に、接地電極２７は、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、及び、Ｎｉのうち少なくとも一種を含む金属により構成されている。

以上詳述したように、本実施形態によれば、軸孔４には、軸線ＣＬ１方向先端側に向けて縮径する縮径部４３が設けられているため、キャビティ部２９の開口側に向けたプラズマの噴出圧力を増大させることができる。その結果、キャビティ部２９開口からのプラズマ噴出長さをより大きなものとすることができ、着火性の向上を図ることができる。

一方、縮径部４３を設けることで、キャビティ部２９の容積の急激な増大等が懸念されるが、本実施形態においては、前記角度αが１０°以上とされており、縮径部４３が、火花放電の方向に対して直交した状態となることなく、火花放電の方向に極力沿うようにして形成されている。従って、火花放電が縮径部４３に対して過度に押さえつけられた状態で生じてしまうという事態をより確実に抑制することができ、チャンネリングの急速な進展をより確実に防止することができる。

さらに、本実施形態では、中心電極５の先端面５Ｆと縮径部４３との間に第１ストレート部４１が設けられており、第１ストレート部４１と縮径部４３との間に形成される屈曲部分と中心電極５の先端面５Ｆとが軸線ＣＬ１方向において離間するように構成されている。従って、火花放電が前記屈曲部分を通過する経路で集中的に生じてしまうという事態をより効果的に防止でき、火花放電経路をより分散させることができる。その結果、角度αを１０°以上とすることと相俟って、チャンネリングの急速な進展を極めて効果的に防止することができる。

以上のように、本実施形態によれば、角度αを１０°以上としつつ、第１ストレート部４１を設けることで、縮径部４３を設けることに伴うチャンネリングの急速な進展というデメリットを効果的に解消することができ、縮径部４３を設けることによる着火性の向上というメリットを長期間に亘って維持することができる。

また、角度αが４５°以下とされているため、第１キャビティ部２９１の容積を十分に小さなものとすることができる。従って、第１キャビティ部２９１においてプラズマの径方向への広がりを抑制することができ、軸線ＣＬ１方向に沿ったプラズマの噴出速度をより増大させることができる。その結果、キャビティ部２９の開口からのプラズマの噴出長さをより大きくすることができ、着火性の更なる向上を図ることができる。

さらに、軸線ＣＬ１に沿った第１ストレート部４１の長さＬが０．５ｍｍ以下と比較的小さなものとされており、縮径部４３に対する電荷の衝突エネルギーを効果的に低減させることができる。その結果、チャンネリングをより一層確実に抑制することができ、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。

加えて、前記仮想平面ＶＳとキャビティ部２９の開口との間における絶縁碍子２の内周面の最短距離ＳＬ１が１．０ｍｍ以上と十分に大きく確保されている。従って、絶縁碍子２の内周面に多少の磨耗粉が付着したとしても、中心電極５と接地電極２７との間において十分な絶縁性能を維持することができる。その結果、電流のリークをより確実に防止することができ、ひいては上述した作用効果をより確実に発揮させることができる。

一方で、前記仮想平面ＶＳと接地電極２７との間の絶縁碍子２の内周面に沿った最短距離ＳＬ２が２．５ｍｍ以下とされているため、初期の放電電圧を比較的低めに抑えることができる。その結果、放電電圧の増大に伴う放電異常やチャンネリングの進展をより効果的に防止することができる。

また、第１キャビティ部２９１の容積Ｖ１及び第２キャビティ部２９２の容積Ｖ２が、０．２≦Ｖ２／Ｖ１≦３．０を満たすように構成されている。従って、プラズマの噴出力や噴出量をより増大させることができ、着火性の更なる向上を図ることができる。

さらに、中心電極５の先端部（電極チップ５Ｄ）や接地電極２７がＷやＩｒ等の少なくとも一種を含む金属により形成されている。そのため、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等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、火花放電ひいてはプラズマ生成が可能な期間をより長期化できるとともに、チャンネリングをより一層抑制することができる。

次に、上記実施形態によって奏される作用効果を確認すべく、縮径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を複数作製し、各サンプルに対して耐久性評価試験及び着火性評価試験を行った。

着火性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、各サンプルを排気量２．０Ｌ、４気筒エンジンに取付けた上で、点火タイミングをＭＢＴ（最適点火位置）として火花放電をさせるとともに、出力１００ｍＪのプラズマ電源から電力を投入してプラズマを発生させることで、回転数１６００ｒｐｍでエンジンを動作させた。そして、空燃比を徐々に増大（燃料を薄く）させつつ、各空燃比ごとにエンジントルクの変動率を測定し、エンジントルクの変動率が５％を上回ったときの空燃比を限界空燃比として特定した。尚、限界空燃比が大きいほど、着火性に優れることを意味する。図７に、当該試験の試験結果を丸印で示す。尚、図７においては、参考として、キャビティ部を円柱状に形成した比較例に相当する点火プラグ（図９参照）における前記試験の試験結果を三角で示す。

また、耐久性評価試験の概要は次の通りである。まず、各サンプルに対して電力を投入することでプラズマを噴出させるとともに、サンプルの側面側から噴出したプラズマを撮像し、撮像画像から初期状態におけるプラズマの噴出面積を測定した。その上で、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に設定し、印加電圧の周波数を６０Ｈｚとして（すなわち、毎分３６００回の割合で）各サンプルを放電させた（このとき、プラズマ電源から電流を流し込むことなく、火花放電のみを生じさせた）。次いで、１００時間経過ごとに、プラズマ電源から電流を流し込んでプラズマを噴出させるとともに、点火プラグの側面側から噴出したプラズマを撮像し、撮像画像からプラズマの噴出面積を測定した。そして、初期状態におけるプラズマの噴出面積に対して、測定されたプラズマの噴出面積が半分以下となった時間（耐久時間）を特定した。図８に、当該試験の試験結果を示す。尚、各サンプルに対する電圧の印加は最長２０００時間とし、２０００時間の段階で測定されたプラズマの噴出面積が初期状態におけるプラズマの噴出面積の半分よりも大きかったサンプルについては、図８において白抜きにて試験結果を示す。

また、各サンプルともに、図１０に示すように、軸線に沿った第１ストレート部の長さＬを０．１ｍｍとし、軸線に沿ったキャビティ部の長さ（軸線に沿ったキャビティ部の開口から中心電極の先端までの距離）を１．０ｍｍとした。さらに、中心電極の先端面の外径を１．５ｍｍとし、キャビティ部の開口の内径を０．８ｍｍとし、接地電極の貫通孔の内径を１．０ｍｍとした。一方で、キャビティ部を円柱状に形成した比較例に相当する点火プラグにおいては、軸線に沿ったキャビティ部の長さを１．０ｍｍとし、キャビティ部の内径を１．５ｍｍとした。

図７に示すように、縮径部を設けたサンプルは、キャビティ部を円柱状に形成した比較例に相当する点火プラグよりも優れた着火性を有することが明らかとなった。これは、縮径部を設けたことで、キャビティ部の開口側（軸方向先端側）に向けたプラズマの噴出圧力を増大させることができ、その結果、キャビティ部開口からのプラズマ噴出長さをより大きくすることができたためであると考えられる。また特に、角度αを４５°以下としたサンプルは、極めて優れた着火性を有することが確認された。

一方で、図８に示すように、縮径部を設けた場合であっても、角度αを１０°未満としたサンプルは、耐久時間が短く、使用に伴い着火性が急速に低下してしまうことが分かった。これは、中心電極と接地電極との間において軸線にほぼ沿った方向で火花放電が生じるところ、角度αが過度に小さくされ、縮径部が火花放電の方向とほぼ直交するような形状とされたことで、縮径部に対する火花放電の押さえつけが強まり、ひいてはチャンネリングが生じ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、角度αを１０°以上としたサンプルは、耐久時間が１５００時間を超え、優れた着火性を長期間に亘って維持できることが明らかとなった。また特に、角度αを２０°以上としたサンプルは、耐久時間が２０００時間以上となり、優れた着火性を極めて長期間に亘って維持できることが確認された。

次いで、前記角度αを５°又は１０°とした上で、第１ストレート部を設けることなく構成した（つまり、第１ストレート部の長さＬを０．０ｍｍとし、中心電極の先端角部と縮径部の後端側に形成された屈曲部分とが軸線と直交する方向に沿って対向するように構成した）点火プラグのサンプルと、第１ストレート部を設けるとともに、軸線に沿った第１ストレート部の長さＬを種々変更した点火プラグのサンプルとを作製し、各サンプルについて上述の耐久性評価試験を行った。図１１に、当該試験の試験結果を示す。尚、図１１においては、角度αを５°としたサンプルの試験結果を丸印で示し、角度αを１０°としたサンプルの試験結果を三角で示す。また、各サンプルにおいて、中心電極の先端面の外径やキャビティ部の開口の内径等は、上記同様とした。

図１１に示すように、第１ストレート部の長さＬを設けたサンプルは、第１ストレート部を設けなかった（長さＬを０．０ｍｍとした）サンプルと比較して、耐久性に優れることが分かった。これは、第１ストレート部及び縮径部の間に形成される屈曲部分と、中心電極の先端角部とを離間させたことで、電界強度が比較的高い前記屈曲部分と中心電極の先端角部との間で火花放電が集中して起こってしまうという事態が抑制され（つまり、火花放電経路が分散され）、その結果、チャンネリングの局所的な集中を効果的に抑制できたためであると考えられる。

また特に、長さＬを．５ｍｍ以下としたサンプルは、一層優れた耐久性を有することが明らかとなった。これは、長さＬを十分に小さなものとしたことで、火花放電に際しての縮径部に対する電荷の衝突エネルギーを低減できたことによると考えられる。

以上の試験結果より、着火性の向上を図りつつ、チャンネリングを抑制し、優れた着火性を長期間に亘って維持するという観点からは、第１ストレート部と縮径部とを設けるとともに、縮径部の角度αを１０°以上とすることが好ましいといえる。

また、着火性の更なる向上を図るという観点から、角度αを４５°以下とすることがより好ましいといえる。

加えて、耐久性を一層向上させるべく、第１ストレート部の長さＬを０．５ｍｍ以下としたり、角度αを２０°以上としたりすることが一層好ましいといえる。尚、耐久性をより確実に向上させるという点から、第１ストレート部の長さＬを０．１ｍｍ以上とすることがより好ましい。

次いで、前記最短距離ＳＬ１を種々変更した点火プラグのサンプルを作製し、各サンプルについて絶縁性評価試験を行った。絶縁性評価試験の概要は次の通りである。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０．８ＭＰａに設定し、印加電圧の周波数を６０Ｈｚ、プラズマ電源の出力を１００ｍＪとして５分間に亘ってプラズマを発生させた（つまり、各サンプルともに、絶縁碍子の内周面に対して中心電極の磨耗粉がある程度付着した状態とした）。その上で、各サンプルにおける中心電極と接地電極との間の抵抗値を測定した。ここで、測定した抵抗値が１０ＭΩ以上となったサンプルは、十分な絶縁性能を有するとして「○」の評価を下し、測定した抵抗値が１０ＭΩ未満のサンプルは、絶縁性能がやや低く、火花放電に支障が生じ得るとして「×」の評価を下すこととした。表１に、当該試験の試験結果を示す。尚、各サンプルともに、第１ストレート部の長さＬを０．１ｍｍとし、角度αを１５°とした。また、中心電極の先端面の外径やキャビティ部の開口の内径等は、上記同様とした。

表１に示すように、最短距離ＳＬ１を１．０ｍｍ以上としたサンプルは、十分な絶縁性能を有し、火花放電の発生ひいてはプラズマの生成に特段の支障が生じないことが分かった。

以上の試験結果より、十分な絶縁性能を確保し、プラズマをより確実に生成するためには、最短距離ＳＬ１を１．０ｍｍ以上とすることが好ましいといえる。

次に、前記最短距離ＳＬ２を種々変更した点火プラグのサンプルを作製し、各サンプルについて初期放電電圧測定試験を行った。初期放電電圧測定試験の概要は次の通りである。すなわち、サンプルを試験用のチャンバーに取付けた上で、チャンバー内の圧力を０．８ＭＰａとして火花放電に必要な放電電圧（初期放電電圧）を測定した。尚、中心電極の消耗により放電電圧が徐々に増大していくことや、放電電圧が大きいほど絶縁碍子にチャンネリングが生じやすいことを考慮して、初期放電電圧は２０ｋＶ以下であることが好ましいといえる。図１２に、当該試験の試験結果を示す。尚、各サンプルの構成は、上述の絶縁性評価試験と同様のものとした。

図１２に示すように、最短距離ＳＬ２を２．５ｍｍ以下としたサンプルは、初期放電電圧をより確実に２０ｋＶ以下とできることが分かった。

以上の試験結果より、放電電圧の増大に伴う失火やチャンネリングの進展を防止するという面から、最短距離ＳＬ２を２．５ｍｍ以下とすることが好ましいといえる。

次いで、軸線に沿ったキャビティ部の長さ（キャビティ長）を０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、又は、１．５ｍｍとした上で、第１キャビティ部の容積Ｖ１（ｍｍ³）と第２キャビティ部の容積Ｖ２（ｍｍ³）とを変更することで、Ｖ２／Ｖ１を種々変更した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着火性評価試験を行った。図１３に、当該試験の試験結果を示す。尚、図１３においては、キャビティ長を０．５ｍｍとしたサンプルの試験結果を丸印で示し、キャビティ長を１．０ｍｍとしたサンプルの試験結果を三角で示し、キャビティ長を１．５ｍｍとしたサンプルの試験結果を四角で示す。また、各サンプルともに、第１ストレート部の長さＬを０．１ｍｍとし、角度αを１５°とした。加えて、中心電極の先端面の外径を１．５ｍｍとし、キャビティ部（第２キャビティ部）の開口の内径を０．８ｍｍとし、接地電極の貫通孔の内径を１．０ｍｍとした。さらに、図１３においては、比較例として、キャビティ部を円柱状に形成するとともに、中心電極の先端面の外径（＝キャビティ部の内径）を１．５ｍｍとした上で、軸線に沿ったキャビティ長を０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、又は、１．５ｍｍとした点火プラグ（図９参照）の試験結果をそれぞれ直線、点線、一点鎖線で示す。

図１３に示すように、各サンプルともに、キャビティ長を同一の大きさとした比較例に相当する点火プラグに比べて、それぞれ優れた着火性を有していたが、特にＶ２／Ｖ１を０．２以上３．０以下としたサンプルの限界空燃比は、キャビティ長を同一とした比較例に相当する点火プラグの限界空燃比よりも１．０以上増加し、着火性に極めて優れることが分かった。これは、次の理由によると考えられる。すなわち、
（１）Ｖ２／Ｖ１を０．２以上とし、第１キャビティ部の容積Ｖ１を比較的小さくしたことで、第１キャビティ部で生成されたプラズマにより第１キャビティ部が満たされることとなり、第２キャビティ部で生成されたプラズマの噴出圧力を十分に大きくできたこと、また、第２キャビティ部の容積Ｖ２をある程度の大きさ確保したことで、第１キャビティ部で生じた噴出圧力によりキャビティ部開口から噴出させられるプラズマが十分に生成され、より大きなプラズマをキャビティ部の開口から噴出できたこと、及び、
（２）Ｖ２／Ｖ１を３．０以下とし、第１キャビティ部の容積Ｖ１に対する第２キャビティ部の容積Ｖ２の過大を防止したことで、第２キャビティ部で過度にプラズマが生成され、第１キャビティ部で生じた噴出圧力ではプラズマを十分に噴出することができないといった事態をより確実に防止することができ、キャビティ部開口からのプラズマの噴出量を向上できたこと
によると考えられる。

以上の試験結果より、着火性のより一層の向上を図るべく、第１キャビティ部の容積Ｖ１（ｍｍ³）及び第２キャビティ部の容積Ｖ２（ｍｍ³）は、０．２≦Ｖ２／Ｖ１≦３．０を満たすように構成することが好ましいといえる。

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、接地電極２７がＷやＩｒ等を含む金属により構成されているが、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等を含む金属により構成することとしてもよい。

（ｂ）上記実施形態では、中心電極５の先端部に電極チップ５Ｄが設けられているが、電極チップ５Ｄ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。

（ｃ）上記実施形態では、絶縁碍子２の先端面に対して接地電極２７が接触するように構成されているが、絶縁碍子２の先端面と接地電極２７とを接触させることなく、両者の間の若干の間隙を設けることとしてもよい。但し、接地電極２７の耐熱性を鑑みれば、接地電極２７を絶縁碍子２に接触させることが好ましい。

（ｄ）上記実施形態において、中心電極５の先端面５Ｆは平坦状をなしているが、例えば、外側に凸の湾曲面状（例えば、中心電極５の先端部が半球状）をなすこととしてもよい。

（ｅ）上記実施形態では、貫通孔２８と軸孔４とが同軸上に位置する（貫通孔２８の中心が軸線ＣＬ１上に位置する）ように構成されているが、貫通孔２８の中心が軸線ＣＬ１から若干ずれるようにして構成することとしてもよい。

（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。従って、例えば、工具係合部１９をＢｉ−ＨＥＸ（変形１２角）形状〔ＩＳＯ２２９７７：２００５（Ｅ）〕等としてもよい。

１…点火プラグ（プラズマジェット点火プラグ）、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、２８…貫通孔、２９…キャビティ部、４１…第１ストレート部、４２…第２ストレート部、４３…縮径部、２９１…第１キャビティ部、２９２…第２キャビティ部、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して前記軸孔内に挿設される中心電極と、
   前記絶縁体の外周に配置される主体金具と、
   前記主体金具の先端部に固定された接地電極とを備え、
   前記軸孔の内周面及び前記中心電極の先端面により形成されるキャビティ部を有するプラズマジェット点火プラグであって、
   前記軸孔は、
   前記中心電極の先端面から前記軸線方向先端側に向けて延び、同一の内径を有する第１ストレート部と、
   前記第１ストレート部の先端から前記軸線方向先端側に向けて縮径する縮径部と、
   を備え、
   前記軸線を含む断面において、前記軸線と直交する直線と前記縮径部の外形線とのなす角のうち鋭角の角度をα（°）としたとき、
   α≧１０
   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。
2. α≦４５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。
3. 前記軸線に沿った前記第１ストレート部の長さを０．５ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマジェット点火プラグ。
4. 前記中心電極の先端を含む前記軸線方向に直交する仮想平面と前記キャビティ部の開口との間における前記絶縁体の内周面の最短距離を１．０ｍｍ以上とした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ジェット点火プラグ。
5. 前記接地電極は、前記絶縁体の先端面に接触しており、
   前記中心電極の先端を含む前記軸線方向に直交する仮想平面と前記接地電極との間における前記絶縁体の内周面の最短距離を２．５ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプラズマジェット点火プラグ。
6. 前記軸孔は、前記縮径部の先端から前記キャビティ部の開口まで延び、同一の内径を有する第２ストレート部を有し、
   前記第１ストレート部及び前記縮径部により外周が形成された第１キャビティ部の容積をＶ１（ｍｍ³）とし、
   前記第２ストレート部により外周が形成された第２キャビティ部の容積をＶ２（ｍｍ³）としたとき、
   ０．２≦Ｖ２／Ｖ１≦３．０
   を満たすことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプラズマジェット点火プラグ。
7. 前記接地電極は、板状であるとともに板厚方向に貫通する貫通孔を有し、
   前記軸線と直交する仮想平面に対して、前記絶縁体の開口と、前記中心電極の先端面外周と、前記接地電極の内周とを前記軸線に沿って投影した際に、
   前記絶縁体の開口の投影線と前記中心電極の先端面外周の投影線との間に、前記接地電極の内周の投影線が位置することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のプラズマジェット点火プラグ。
8. 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、及び、ニッケルのうち少なくとも一種を含む金属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項に記載のプラズマジェット点火プラグ。
9. 前記接地電極は、タングステン、イリジウム、白金、及び、ニッケルのうち少なくとも一種を含む金属により構成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のプラズマジェット点火プラグ。

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