JP5887785B2 - 点火プラグ及び点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関にて繰り返される燃焼サイクルにおいて、内燃機関に形成される燃焼室内の混合気に点火する点火プラグ、及び当該点火プラグを備える点火装置に関する。

従来、例えば特許文献１に開示のように、点火コイルの印加する放電電圧によって、燃焼室に突出する中心電極をプラス極の電位とし、中心電極と対向する外側電極をマイナス極の電位として、火花放電を生じさせる点火プラグが知られている。この特許文献１に開示の点火プラグは、外側電極の先端部から中心電極に向かって突出することにより、中心電極との間にて火花放電間隙を形成する貴金属チップを有している。

特許文献１に開示の点火プラグにおいて、貴金属チップは、エッジを形成している。故に、点火コイルによって放電電圧が印加されたとき、貴金属チップのエッジには、電界が集中する。以上により、貴金属チップのエッジが放電の起点となり易くなるので、特許文献１の点火プラグは、火花放電間隙に火花放電を生じさせるための放電電圧を引き下げる効果を獲得できる（引用文献１ 図５等参照）。

特開平５−２７５１５７号公報

しかし、特許文献１に開示のように貴金属チップにエッジを設けたとしても、中心電極をプラス極の電位とし外側電極をマイナス極の電位とするプラス放電を実施する形態の放電電圧は、マイナス放電を実施する形態の放電電圧よりも高くなっていた（引用文献１
図５等参照）。その理由を、以下に説明する。

プラス放電を実施する形態では、放電ギャップに遇存するプラスイオンのうち中心電極近傍に位置するものが、電子よりも質量の大きいことに起因して、マイナス極となる外側電極に早期に移動できずに、中心電極の近傍に滞留する。これらのプラスイオンは、中心電極に生じるプラス極の電界集中を弱めることにより、放電電圧を引き上げてしまう。そして、貴金属チップのエッジに電界を集中させることにより火花放電を生じ易くする作用は、放電電圧を引き下げる効果を発揮するものの、プラスイオンの滞留による放電電圧の引き上げ効果を打ち消すには至り得なかった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、プラス放電を実施する形態において、プラスイオンの滞留による放電電圧の引き上げ効果を打ち消すことのできる点火プラグ、及び当該点火プラグを備える点火装置を提供することである。

本願発明者らは、上記目的を達成するために検討を重ね、外側（第二）電極において電極本体部から中心（第一）電極に向かって柱状に突出する電極突起部の温度を高く維持することにより、当該第二電極からの熱電子の放出が活性化することに着目した。詳記すると、第一電極をプラス極の電位とし第二電極をマイナス極の電位とした場合、放電ギャップに遇存していたプラスイオンのうち第二電極の近傍に位置するものは、マイナス極である第二電極に衝突し、当該第二電極から熱電子を放出させる（以下、「γ作用という」）。混合気の燃焼熱によって第二電極の電極突起部の温度を高く維持可能であれば、γ作用によって放出される熱電子は増加する。故に、放電ギャップに多量の熱電子を存在させた状態であって、放電の可能な状態（以下、「放電可能状態」という）が、短い時間にて形成され得る。以上のように、電極突起部の温度を高く維持することにより、放電電圧の引き下げ効果が獲得できる。

そこで、本発明の発明者らは、上記のように温度を高く維持可能な電極突起部の形態の定量化について検討した。その結果として想到された請求項１に記載の発明は、内燃機関にて繰り返される燃焼サイクルにおいて、電圧印加手段から印加される放電電圧によって火花放電を生じさせることにより、内燃機関に形成される燃焼室内の混合気に点火する点火プラグであって、燃焼室に突出し、電圧印加手段の印加する放電電圧によってプラス極の電位となる第一電極と、第一電極の突出方向にて当該第一電極と対向する電極本体部、及び電極本体部から第一電極に向かって柱状に突出することにより当該第一電極との間にて火花放電を生じさせる放電ギャップを形成する電極突起部を、有し、電圧印加手段の印加する放電電圧によってマイナス極の電位となる第二電極とを、備え、電極突起部は、白金又は白金合金によって形成されており、電極突起部の横断面積Ｓと、電極本体部からの電極突起部の突出量Ｌとが下記式１を満たし、０．２平方ミリメートル以上、且つ、１．０平方ミリメートル以下である電極突起部の横断面積Ｓに対して、電極突起部の突出量Ｌは、下記式２を満たし、さらに０．４ミリメートル以上、且つ、１．０ミリメートル以下に規定されることを特徴としている。尚、横断面積Ｓの単位は平方ミリメートル（ｍｍ^２）とし、突出量Ｌの単位はミリメートル（ｍｍ）とする。
（式１） Ｌ（ｍｍ）≧Ｓ（ｍｍ^２）×Ａ＋Ｂ
（式２） Ｌ（ｍｍ）≧Ｓ（ｍｍ^２）×０．３９＋０．２４

この発明のように、横断面積Ｓに対して突出量Ｌを確保することにより、第二電極の電極突起部は、第二電極からの熱電子の放出が活性化する温度を維持可能となる。よって、上述の放電電圧の引き下げ効果が発揮される。故に、定数Ａ及びＢを適切に設定することにより、γ作用の活性化による放電電圧の引き下げ効果が、電界集中による放電電圧の引き下げ効果と共に発揮される。したがって、プラスイオンの滞留による放電電圧の引き上げ効果を打ち消すことが可能となる。

加えてこの発明のような横断面積Ｓと突出量Ｌとの相関が満たされることにより、γ作用の活性化及び電極突起部の電界集中による放電電圧の引き下げ効果は、プラスイオンの滞留による放電電圧の引き上げ効果を、打ち消し得る。故に、マイナス放電を生じさせるための放電電圧よりも低い放電電圧にて、プラス放電を実施できる点火プラグが実現可能となる。
また、上述の点火プラグにおいて、電極突起部の突出量Ｌを大きくし過ぎると、当該電極突起部は、混合気の燃焼熱に晒され易くなる。故に、電極突起部は、γ作用の活性化に必要な温度よりもさらに高温になるおそれがある。加えて、横断面積Ｓの小さ過ぎる電極突起部では、大きな温度変化が生じ易い。故に、横断面積Ｓの小さ過ぎる電極突起部は、混合気の燃焼熱によって、γ作用の活性化に必要な温度よりもさらに高温になるおそれがある。これらのように、過度に昇温した電極突起部は、プラスイオンの衝突に起因して、著しく消耗し得る。
そこで、電極突起部の突出量Ｌは、１．０ミリメートル以下とされる。また、電極突起部の横断面積Ｓは、０．２平方ミリメートル以上とされる。これらの突出量Ｌ及び横断面積Ｓの条件が満たされることにより、電極突起部の過度の昇温上昇は、抑制され得る。このような作用の発揮によってγ作用の活性化に適当な電極突起部の温度が維持された場合、プラスイオンの衝突に起因する電極突起部の著しい消耗は、抑制される。以上により、電極突起部の消耗による放電ギャップの拡大が抑制されるので、点火プラグは、長期の使用に亘る低い放電電圧の維持に貢献できる。

請求項２に記載の発明は、電極突起部において、横断面積Ｓと突出量Ｌとがさらに下記式３を満たすことを特徴とする。
（式３） Ｌ（ｍｍ）≧Ｓ（ｍｍ^２）×０．３９＋０．４４

この発明のような横断面積Ｓと突出量Ｌとの相関が満たされることにより、γ作用の活性化及び電極突起部の電界集中による放電電圧の引き下げ効果は、プラスイオンの滞留による放電電圧の引き上げ効果を、上回り得る。以上により、マイナス放電を生じさせるための放電電圧よりも、具体的には１キロボルト（ｋＶ）以上低い放電電圧にて、点火プラグは、プラス放電を実施できる。

ここで、上述したように、γ作用を活性化させるために電極突起部を高温に維持すると、電極突起部において第一電極と対向する対向頂面は、プラスイオンの衝突に起因して、消耗し易くなる。このような対向頂面の消耗によって生じる放電ギャップの拡大は、放電電圧の上昇を引き起こす。

そこで、請求項３に記載の発明のように、電極突起部において、第一電極と対向する対向頂面は、円滑な平面とされる。この発明では、電極突起部の対向頂面が円滑な平面であることにより、電極突起部における電界集中は、円滑な形状である対向頂面の中央部分ではなく、対向頂面の縁部に生じ易くなる。故に、放電ギャップにおける火花放電は、対向頂面の中央部分ではなく、対向頂面の縁部に誘導される。以上により、対向頂面の中央部分の消耗が低減され得るので、放電ギャップの拡大は、抑制される。しがって、点火プラグは、長期の使用に亘る低い放電電圧の維持に貢献できる。

請求項４に記載の発明では、電極突起部は、電極本体部から円柱状に突出することを特徴とする。この発明によれば、混合気の燃焼熱に晒されたとき、円柱状である電極突起部では、表面の温度むらが生じ難い。故に、電極突起部は、γ作用の活性化に適した温度を、全体で安定的に維持し得る。以上により、円柱状である電極突起部は、プラス放電時における放電電圧の引き下げと、この引き下げた放電電圧の維持とに貢献できる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の点火プラグと、点火プラグの第一電極をプラス極の電位とし、第二電極をマイナス極の電位とするプラス放電電圧を印加することにより、当該点火プラグの放電ギャップに火花放電を生じさせる電圧印加手段とを、備えることを特徴とする点火装置とする

この発明による点火装置では、上述したように点火プラグがプラス放電に好適化されているので、マイナス放電を実施する場合と同程度の放電電圧にて、プラス放電は実施可能となる。故に、点火装置において、点火プラグに放電電圧を印加する電圧印加手段は、マイナス放電を実施する形態のものと同程度の電圧を発生する能力を有していればよい。以上により、点火装置は、マイナス放電用として一般的な電圧印加手段の構成を踏襲したものを、上述の点火プラグと組み合わせることで、プラス放電を実施できる。したがって、上述の点火プラグは、マイナス放電を実施するよりも低い放電電圧にてプラス放電を実施する点火装置の実現性を、いっそう高めることができる。

本発明の一実施形態による点火プラグを備えた点火装置を示す構成図である。 本発明の一実施形態による点火プラグの要部を拡大して示す拡大図であって、（ａ）は要部の構成を説明するための図であって、（ｂ）は要部の特徴を説明するための模式図である。 点火プラグの接地突起部の突出量と放電電圧との相関を示す図である。 点火プラグの接地突起部の横断面積と放電電圧との相関を示す図である。 マイナス放電電圧よりもプラス放電電圧が下回る範囲が、突出量と横断面積との相関により規定可能であることを説明するための図である。 図５のｘ軸及びｙ軸を入れ替えて示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態による点火装置１００を示している。点火装置１００は、ガソリンエンジン等の火花点火式方式の内燃機関に適用されて、当該内燃機関に形成される燃焼室９０内の混合気に点火する装置である。点火装置１００は、内燃機関にて繰り返される燃焼サイクルにおいて、圧縮行程後半の点火時期に、圧縮された燃焼室９０内の混合気に火花放電によって点火する。点火装置１００は、点火プラグ２０、点火制御回路４０、及びエンジン制御装置７０を備えている。

図１及び図２（ａ）に示される点火プラグ２０は、点火制御回路４０と接続されており、内燃機関のシリンダヘッドに形成されたプラグホールに収容及び固定されている。点火プラグ２０は、点火制御回路４０から印加される放電電圧によって火花放電を生じさせることにより、燃焼室９０内にて圧縮された作動ガスである混合気に点火する。点火プラグ２０は、中心電極２１及び接地電極２３に加えて、中心電極２１を点火制御回路４０に電気的に接続するための接続部、並びに中心電極２１及び接地電極２３間を絶縁する碍子部２８を有している。

中心電極２１は、円柱状に形成された碍子部２８の中心部分から燃焼室９０に突出することにより、当該燃焼室９０内に露出している。中心電極２１には、中心突起部２２が形成されている。中心突起部２２は、円柱状に形成された中心電極２１の本体部分から、接地電極２３に向かって針状に突出している。中心電極２１は、例えばニッケル合金によって形成され、中心突起部２２は、例えばイリジウム合金及び白金合金等で形成されている。

接地電極２３は、碍子部によって中心電極２１と絶縁されており、シリンダヘッドに接地されている。接地電極２３には、接地本体部２５及び接地突起部２４が形成されている。接地本体部２５は、中心電極２１の側方となる碍子部の外周側から燃焼室９０に突出している。接地本体部２５は、中心電極２１の突出方向に向かって湾曲する形状により、中心電極２１の突出方向にて当該中心電極２１と対向している。接地突起部２４は、接地本体部２５において中心電極２１の突出方向に位置する部分から、当該中心電極２１に向かって円柱状に突出している。これにより接地突起部２４は、中心電極２１との間にて火花放電を生じさせる放電ギャップ２９を形成している。接地突起部２４において、突出方向の先端には、中心電極２１と対向する接地頂面２６が形成されている。この接地頂面２６が円滑な平面であることにより、当該接地頂面２６には、円状の中央部分２６ａ及び円環状の縁部２６ｂが形成されている。接地突起部２４は、ニッケル鋼等よりなる接地本体部２５に、白金等によりなる円柱状のチップをレーザ溶接等にて接合することにより、形成されている。

図１に示されるように、点火制御回路４０は、点火プラグ２０の中心電極２１及び接地電極２３間に放電電圧を印加することにより、混合気に点火する火花放電を放電ギャップ２９に生じさせる回路である。点火制御回路４０は、点火コイル３０及びイグナイタ５０等によって構成されている。

点火コイル３０は、点火プラグ２０の中心電極２１をプラス極の電位とし、接地電極をマイナス極の電位とするプラス放電電圧を、点火プラグ２０に印加する。点火コイル３０は、一次コイル３１及び二次コイル３３を有している。

一次コイル３１は、銅等の導電性の材料によって形成された線材に絶縁性の塗料を焼き付けてなるエナメル電線を円筒状に巻回すことにより、形成されている。一次コイル３１は、点火装置１００の外部のバッテリ１０と接続されており、当該バッテリ１０からの電流を通電可能である。一次コイル３１は、二次コイル３３と磁気的に結合されており、当該二次コイル３３との間において相互誘導可能である。

二次コイル３３は、銅等の導電性の材料によって形成された線材に絶縁性の塗料を焼き付けてなるエナメル電線であって、一次コイル３１を形成するエナメル電線よりも線径の小さいものを円筒状に巻回すことにより、形成されている。二次コイル３３は、点火プラグ２０と接続されており、当該二次コイル３３に誘導される電圧によって、中心電極２１及び接地電極２３間に放電電圧を印加する。

イグナイタ５０は、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：ＩＧＢＴ）等のスイッチング素子を実装した回路基板を、絶縁性の樹脂材料によってモールドすることにより、形成されている。イグナイタ５０のＩＧＢＴのベースは、エンジン制御装置７０と接続されている。イグナイタ５０は、エンジン制御装置７０からベースに入力される点火制御信号に基づいて、コレクタ及びエミッタ間における電流の導通及び遮断を切り換える。イグナイタ５０は、一次コイル３１と接続されており、点火制御信号に基づいて、バッテリ１０から当該一次コイル３１への通電のオン状態及びオフ状態を切り換える。

エンジン制御装置７０は、例えばマイクロコンピュータを主体に構成され、記憶領域としてのフラッシュメモリ、演算処理の作業領域としてのＲＡＭを有する制御装置である。エンジン制御装置７０は、内燃機関及び当該内燃機関を搭載する車両に設けられた種々のセンサと接続されており、これらのセンサから、例えば出力軸の回転速度、冷却水の温度、燃焼室９０に吸入される吸入空気量等の検出結果を取得する。エンジン制御装置７０は、取得した検出結果、予め構築された制御用のプログラム、及び予め規定された制御用のマップ等に基づいて、内燃機関の稼動を制御する。このようなエンジン制御装置７０による制御の一つが、点火制御回路４０及び点火プラグ２０による混合気への点火の制御である。エンジン制御装置７０は、点火コイル３０の一次コイル３１への通電を制御する点火制御信号を、イグナイタ５０に出力する。

以上の点火装置１００が、各燃焼サイクルにおいて点火プラグ２０に火花放電を生じさせる作動を、以下説明する。エンジン制御装置７０は、通電をオフ状態からオン状態へと切り換える旨の点火制御信号を、イグナイタ５０に出力する。これにより、イグナイタ５０のコレクタ及びエミッタ間における電流の導通が可能となる。以上により、バッテリ１０から一次コイル３１への通電が開始されて、一次電流としての電流ｉｐが一次コイル３１を流れる。

次に、エンジン制御装置７０は、通電をオン状態からオフ状態に切り換える旨の点火制御信号を、イグナイタ５０に出力する。これにより、イグナイタ５０のコレクタ及びエミッタ間の導通が遮断される。以上により、電流ｉｐによって一次コイル３１の周囲に生じていた磁界が消失する。すると、一次コイル３１によって形成されていた磁界の消失を打ち消すように、二次コイル３３に電圧が誘導される。二次コイル３３に誘導される放電電圧によって、中心電極２１はプラス極の電位となり、接地電極２３はマイナス極の電位となる。

二次コイル３３によって印加されるプラス放電電圧は、時間の経過と共に上昇する。放電ギャップ２９に遇存する電子は、プラス極となる中心電極２１に向かって移動を開始する。電子は、加速した後、空気の分子に衝突することで、新たな電子とプラスイオンとを生じさせる（以下、「α作用」という）。また、放電ギャップ２９に遇存するプラスイオンのうち接地電極２３の近傍に位置するものは、マイナス極となる接地電極２３に向かって移動を開始する。プラスイオンは、接地電極２３に衝突することで、当該接地電極２３から熱電子を放出させる（以下、「γ作用」という）。

これらのα作用及びγ作用が繰り返し生じることにより、プラズマ状態である多数の電子及びプラスイオンを放電ギャップ２９に存在させた状態（以下、「放電可能状態」という）が形成される。そして、各電極２１，２３間に印加されるプラス放電電圧の上昇により、放電ギャップ２９の絶縁が破壊される。すると、放電ギャップ２９に蓄えられた静電エネルギによって、プラス極である中心電極２１からマイナス極である接地電極２３に、二次電流としての放電電流が流れる。これにより、容量放電である火花放電が放電ギャップ２９に生じる。

ここまで説明した点火装置１００のように、プラス放電を実施する形態では、マイナス放電を実施する形態よりも、プラスイオンの滞留による放電電圧の引き上げ効果によって、放電電圧が高くなり易い。図２（ｂ）に基づいて詳しく説明すると、プラスイオンの質量は、電子の質量と比較して、大きい。故に、放電ギャップ２９に遇存するプラスイオンのうち中心電極２１の近傍に位置するものは、マイナス極となる接地電極２３に向かって早期に移動できずに、中心電極２１の近傍に滞留し易い。これらのプラスイオンは、放電電圧の印加によって中心電極２１の中心突起部２２に生じるプラス極の電界集中を弱めてしまう。以上により、放電ギャップ２９に火花放電が生じ難くなるので、放電電圧は高くなってしまうのである。

一方で、上述の点火プラグ２０において、接地頂面２６の縁部２６ｂには、接地電極２３への放電電圧の印加によって、マイナス極の電界集中が生じる。故に、接地頂面２６の縁部２６ｂは、火花放電の起点となり易くなる。よって、接地本体部２５から突出する形態の接地突起部２４は、放電電圧を引き下げる効果を発揮する。しかし、このようなマイナス極の電界集中による放電電圧の引き下げ効果は、上述のプラスイオンの滞留による放電電圧の引き上げ効果を打ち消すには至らない。

そこで、本願発明者らは、混合気の燃焼熱によって接地突起部２４の温度を高く維持することにより、当該接地突起部２４からの熱電子の放出、即ちγ作用が活性化することに着目した。このようなγ作用の活性化によれば、放電ギャップ２９に多量の熱電子を存在させた放電可能状態が、電流ｉｐ（図１参照）の遮断後、短い時間にて形成され得る。故に、放電電圧の引き下げ効果が獲得できる。

上記のように温度を高く維持可能な接地突起部２４の形態の定量化について、本願発明者らは、検討を重ねた。その結果を、以下図３〜図５に基づき、図２（ｂ）を参照しつつ詳細に説明する。図３には、接地電極２３における接地本体部２５からの接地突起部２４の突出量Ｌと、放電電圧との相関が示されている。また、図４には、接地突起部２４において、その突出方向と直交する断面の面積である横断面積Ｓと、放電電圧との相関が示されている。これら図３及び図４には、点火プラグ２０に火花放電を生じさせるために要求される放電電圧の最大値について、プラス放電を実施した場合と、マイナス放電を実施した場合とが比較されている。図３及び図４に示される計測において、点火プラグ２０の装着されるガソリンエンジンは、ワイド・オープン・スロットル（Wide open throttle；ＷＯＴ）にて、毎分１５００回転で稼動している。

まず、図３に示される計測結果について説明する。図３の計測に用いられる点火プラグ２０において、放電ギャップ２９は、消耗品相当の１．３ｍｍで一定とされている。加えて、横断面積Ｓは、０．３８ｍｍ^２（直径約０．７ｍｍの円柱状に相当）で一定とされている。図３に示されるように、突出量Ｌが０．４ｍｍを超えると、プラス放電による放電電圧は、マイナス放電による放電電圧よりも低くなる。これは、突出量Ｌの増加に伴って接地突起部２４の温度が高く維持されるようになるので、接地突起部２４におけるγ作用が活性化し、ひいては放電電圧の引き下げ効果が増大するためである。

一方で、突出量Ｌを０．６ｍｍより大きくしても、放電電圧の引き下げ効果は、増大しない。これは、接地突起部２４が特定の温度に達することにより、γ作用の活性化が飽和するためである。さらに、突出量Ｌを１．０ｍｍよりも大きくすると、接地突起部２４には過度な昇温が生じる。故に、接地突起部２４は、プラスイオンの衝突に起因して、著しく消耗するおそれがある。よって、接地突起部２４の突出量Ｌは、１．０ｍｍ以下であることが望ましい。

次に、図４に示される計測結果について説明する。図４の計測に用いられる点火プラグ２０において、放電ギャップ２９は、１．３ｍｍで一定とされている。加えて、突出量Ｌは、０．４ｍｍで一定とされている。図４に示されるように、横断面積Ｓが１．０ｍｍ^２を下回ると、プラス放電による放電電圧は、マイナス放電による放電電圧よりも低くなる。これは、横断面積Ｓの減少に伴って接地突起部２４の温度が高く維持されるようになるので、突出量Ｌを大きくした形態と同様に、接地突起部２４におけるγ作用が活性化し、ひいては放電電圧の引き下げ効果が増大するためである。

一方で、横断面積Ｓの小さ過ぎる接地突起部２４では、熱容量の減少に起因して、接地突起部２４は、混合気の燃焼熱によってγ作用の活性化に必要な温度よりもさらに高温になり得る。上述したように、過度に昇温した接地突起部２４は、プラスイオンの衝突に起因して著しく消耗するおそれがある。よって、接地突起部２４の横断面積Ｓは、０．２ｍｍ^２以上であることが望ましい。

以上の計測結果から明らかなように、突出量Ｌの増加及び横断面積Ｓの減少に伴って、γ作用の活性化による放電電圧の引き下げ効果が、増大する。このような放電電圧に対する突出量Ｌ及び横断面積Ｓの相関が、図５に示されている。図５では、プラス放電電圧がマイナス放電電圧を下回る境界が実線にて示され、プラス放電電圧がマイナス放電電圧よりも１ｋＶ以上下回る境界が一点鎖線にて示されている。尚、図５における破線は、プラス放電電圧がマイナス放電電圧を上回る範囲に記されている。

図５に示される相関によれば、横断面積Ｓの増加に伴って突出量Ｌを拡大することにより、プラス放電電圧の引き下げ効果は、維持される。故に、放電電圧の引き下げ効果を得るための接地突起部２４の突出量Ｌは、横断面積Ｓに対して、下記の式１のように規定可能である。
（式１） Ｌ（ｍｍ）≧Ｓ（ｍｍ^２）×Ａ＋Ｂ

上記の式１を満たすよう横断面積Ｓに対して突出量Ｌを確保することにより、接地電極２３の接地突起部２４は、γ作用の活性化する温度、具体的には、中心電極２１よりも摂氏約１００〜２００度高い摂氏約７００〜８００度を維持できる。よって、上述のγ作用の活性化による放電電圧の引き下げ効果が発揮される。故に、定数Ａ及びＢを適切に設定することにより、γ作用の活性化による放電電圧の引き下げ効果が、接地突起部２４の電界集中による放電電圧の引き下げ効果と共に発揮される。したがって、プラスイオンの滞留による放電電圧の引き上げ効果を打ち消すことが可能となる。

さらに、上記式１の定数Ａ及びＢに具体的な数値を適用したものであって、図５にて実線で示される近似式を、式２として下記する。下記式２のような横断面積Ｓと突出量Ｌとの相関が満たされることにより、接地突起部２４におけるγ作用の活性化及び電界集中による放電電圧の引き下げ効果は、プラスイオンの滞留による放電電圧の引き上げ効果を打ち消し得る。したがって、マイナス放電を生じさせるための放電電圧よりも低い放電電圧にて、プラス放電を実施できる点火プラグ２０が実現可能となる。
（式２） Ｌ（ｍｍ）≧Ｓ（ｍｍ^２）×０．３９＋０．２４

また、図５にて一点鎖線で示される近似式を、式３として下記する。下記式３のような横断面積Ｓと突出量Ｌとの相関が満たされることにより、接地突起部２４におけるγ作用の活性化及び電界集中による放電電圧の引き下げ効果は、プラスイオンの滞留による放電電圧の引き上げ効果を上回る。具体的には、点火プラグ２０は、マイナス放電を生じさせるための放電電圧よりも１ｋＶ以上低い放電電圧にて、プラス放電を実施できる。
（式３） Ｌ（ｍｍ）≧Ｓ（ｍｍ^２）×０．３９＋０．４４

ここで、本実施形態のように、γ作用を活性化させるために接地突起部２４を高温に維持すると、接地頂面２６は、プラスイオンの衝突に起因して、消耗し易くなる。このような接地頂面２６の消耗によって生じる放電ギャップ２９の拡大は、放電電圧の上昇を引き起こす。そこで、本実施形態の接地頂面２６は、円滑な平面とされている。故に、接地突起部２４における電界集中は、円滑な形状である接地頂面２６の中央部分２６ａではなく、接地頂面２６の縁部２６ｂに生じ易くなる。これにより、火花放電は、接地頂面２６の中央部分２６ａではなく、接地頂面２６の縁部２６ｂに誘導される。以上により、接地頂面２６の中央部分２６ａの消耗が低減され得るので、放電ギャップ２９の拡大は、抑制される。しがって、点火プラグ２０は、長期の使用に亘る低い放電電圧の維持に貢献できる。

また本実施形態では、接地突起部２４の突出量Ｌが１．０ｍｍ以下とされると共に、接地突起部２４の横断面積Ｓが０．２ｍｍ^２以上とされている。故に、接地突起部２４の過度の昇温上昇は、抑制され得る。これにより、γ作用の活性化に適当な接地突起部２４の温度が維持されるので、プラスイオンの衝突に起因する接地突起部２４の著しい消耗は、抑制される。以上により、放電ギャップ２９の拡大が抑制されるので、点火プラグ２０は、長期の使用に亘る低い放電電圧の維持に貢献できる。

また加えて本実施形態では、上述したように点火プラグ２０がプラス放電に好適化されることにより、マイナス放電を実施する場合と同程度の放電電圧にて、プラス放電は実施可能となる。故に、点火コイル３０は、マイナス放電を実施する形態のものと同程度の電圧を発生する能力を有していればよい。以上により、点火装置１００は、マイナス放電用として一般的な構成を踏襲した点火コイル３０を、上述の点火プラグ２０と組み合わせることで、プラス放電を実施できる。したがって、プラス放電に好適化させた点火プラグ２０を用いることにより、マイナス放電を実施するよりも低い放電電圧にてプラス放電を実施する点火装置１００の実現性が、いっそう高くなる。

尚、本実施形態において、中心電極２１が特許請求の範囲の「第一電極」に相当し、接地電極２３が特許請求の範囲の「第二電極」に相当し、接地突起部２４が特許請求の範囲の「電極突起部」に相当し、接地本体部２５が特許請求の範囲の「電極本体部」に相当し、接地頂面２６が特許請求の範囲の「対向頂面」に相当し、点火コイル３０が特許請求の範囲の「電圧印加手段」に相当する。

（他の実施形態）
以上、本発明による一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定して解釈されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用することができる。

上記実施形態において、式１〜３は、横断面積Ｓに対する突出量Ｌを規定する形態であった。しかし、上述の式１〜３を展開することにより、下記式４〜６のような形式にて、突出量Ｌに対する横断面積Ｓが規定されてもよい。また、下記式４〜６に対応するように、図５に示される横断面積Ｓと突出量Ｌとの相関についてｘ軸及びｙ軸を入れ替えたものが図６である。さらに、式１における定数Ａ及びＢ、並びに式４における定数Ｃ及びＤは、適宜変更されてよい。
（式４） Ｓ（ｍｍ^２）≦Ｌ（ｍｍ）×Ｃ−Ｄ
（式５） Ｓ（ｍｍ^２）≦Ｌ（ｍｍ）×２．５−０．６
（式６） Ｓ（ｍｍ^２）≦Ｌ（ｍｍ）×２．５−１．１

上記実施形態において、接地突起部２４は、接地本体部２５から円柱状に突出していた。しかし、接地突起部の形状は、円柱状に限定されない。例えば、接地突起部は、接地本体部から突出する角柱状、具体的には四角柱状であってもよい。又は、横断面積及び横断面形状が軸方向に沿って連続的に変化する形態の接地突起部が、接地本体部から突出していてもよい。このような形態の場合、接地突起部の突出量Ｌは、例えば先端部分の横断面積Ｓを基準として規定するとよい。

上記実施形態において、接地突起部２４の接地頂面２６は、円滑な平面であった。しかし、接地頂面の形状は、適宜変更されてよい。例えば、接地頂面は、円滑な曲面であってもよい。又は、消耗が許容される範囲に抑制されるのであれば、電極集中のためのエッジ部を形成するための溝が、接地頂面の中央部分に形成されていてもよい。

上記実施形態において、接地突起部２４の突出量Ｌは、１．０ｍｍ以下とされていた。また、接地突起部２４の横断面積Ｓは、０．２ｍｍ^２以上とされていた。しかし、接地突起部２４の温度上昇による消耗が許容される範囲に抑制されるのであれば、接地突起部の突出量Ｌは１．０ｍｍを超えてもよい。また、接地突起部の横断面積Ｓは、０．２ｍｍ^２を下回っていてもよい。

上記実施形態において、接地突起部２４は、白金等よりなる円柱状のチップをレーザ溶接等にて接地本体部２５に接合することにより、接地電極２３に形成されていた。しかし、接地突起部の材料及び形成方法は、適宜変更されてよい。例えば、接地突起部は、中心突起部と同様に、白金合金等によって形成されていてもよい。

上記実施形態において、中心電極２１は、当該中心電極２１の本体部分から針状に突出する中心突起部２２を有していた。しかし、中心電極の形状は、適宜変更されてよい。具体的には、中心突起部２２は、円柱状であって、その横断面の直径が接地突起部２４の横断面の直径よりも小さいことが望ましい。以上の構成によれば、接地頂面２６の縁部２６ｂがプラスイオンの衝突に起因するスパッタリングにより消耗したとしても、接地頂面２６と中心突起部２２との距離は、拡大し難くなる。さらに、針状に突出する中心突起部の横断面の形状は、上記の形状に限定されず、楕円形状又は四角形等の多角形形状であってもよい。或いは、中心突起部に相当する構成の省略された中心電極が、点火プラグに形成されていてもよい。

上記実施形態では、ガソリンエンジン等の内燃機関に用いられる点火装置１００に本発明を適用した例を説明したが、本発明の適用対象は、上記の点火プラグ及び点火装置に限定されない。車両に搭載されるガソリンエンジンに限らず、例えば、コージェネレーション及びガス圧送用ポンプ等の内燃機関に用いられる点火プラグ及び点火装置に、本発明は、適用可能である。

１０ バッテリ、２０ 点火プラグ、２１ 中心電極（第一電極）、２２ 中心突起部、２３ 接地電極（第二電極）、２４ 接地突起部（電極突起部）、２５ 接地本体部（電極本体部）、２６ 接地頂面（対向頂面）、２６ａ 中央部分、２６ｂ 縁部、２８ 碍子部、２９ 放電ギャップ、３０ 点火コイル（電圧印加手段）、３１ 一次コイル、３３ 二次コイル、４０ 点火制御回路、５０ イグナイタ、７０ エンジン制御装置、９０ 燃焼室、１００ 点火装置、ｉｐ 電流、Ｌ 突出量、Ｓ 横断面積

Claims (5)

1. 内燃機関にて繰り返される燃焼サイクルにおいて、電圧印加手段から印加される放電電圧によって火花放電を生じさせることにより、前記内燃機関に形成される燃焼室内の混合気に点火する点火プラグであって、
   前記燃焼室に突出し、前記電圧印加手段の印加する前記放電電圧によってプラス極の電位となる第一電極と、
   前記第一電極の突出方向にて当該第一電極と対向する電極本体部、及び前記電極本体部から前記第一電極に向かって柱状に突出することにより当該第一電極との間にて前記火花放電を生じさせる放電ギャップを形成する電極突起部を、有し、前記電圧印加手段の印加する前記放電電圧によってマイナス極の電位となる第二電極とを、備え、
   前記電極突起部は、白金又は白金合金によって形成されており、
   前記電極突起部の横断面積Ｓと、前記電極本体部からの前記電極突起部の突出量Ｌとが下記式１を満たし、
   ０．２平方ミリメートル以上、且つ、１．０平方ミリメートル以下である前記電極突起部の横断面積Ｓに対して、前記電極突起部の突出量Ｌは、下記式２を満たし、さらに０．４ミリメートル以上、且つ、１．０ミリメートル以下に規定されることを特徴とする点火プラグ。
   （式１） Ｌ（ｍｍ）≧Ｓ（ｍｍ^２）×Ａ＋Ｂ
   （式２） Ｌ（ｍｍ）≧Ｓ（ｍｍ^２）×０．３９＋０．２４
2. 前記電極突起部において、前記横断面積Ｓと前記突出量Ｌとが下記式３をさらに満たすことを特徴とする請求項１に記載の点火プラグ。
   （式３） Ｌ（ｍｍ）≧Ｓ（ｍｍ^２）×０．３９＋０．４４
3. 前記電極突起部において、前記第一電極と対向する対向頂面は、円滑な平面であることを特徴とする請求項１又は２に記載の点火プラグ。
4. 前記電極突起部は、前記電極本体部から円柱状に突出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の点火プラグ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の点火プラグと、
   前記点火プラグの前記第一電極をプラス極の電位とし、前記第二電極をマイナス極の電位とするプラス放電電圧を印加することにより、当該点火プラグの前記放電ギャップに前記火花放電を生じさせる前記電圧印加手段とを、
   備えることを特徴とする点火装置。

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