JP6114352B2 - 非熱平衡プラズマ点火プラグ、及び、非熱平衡プラズマ点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁体の周囲の放電空間に非熱平衡プラズマを発生させる非熱平衡プラズマ点火プラグ、及び、非熱平衡プラズマ点火装置に関する。

近年、地球資源保護の観点から、内燃機関の低燃費化が進められている。特に、点火技術は内燃機関の低燃費化への寄与率が非常に高いため、様々な点火技術が検討されている。典型的な点火装置であるスパークプラグは点火コイルと組み合わせて使用され、火花放電ギャップでアーク放電を発生させることによって、熱平衡プラズマを発生させて燃料に点火する。最近では、スパークプラグとは点火現象が異なる点火装置として、バリア放電によって非熱平衡プラズマを発生させる非熱平衡プラズマ点火装置が開発されてきている（特許文献１〜４）。バリア放電は、一般に、一定の間隔を置いて配置された２つの電極の片方又は両方を絶縁体で覆い、２つの電極間に交流電圧をかけた場合に発生する放電現象である。非熱平衡プラズマは、熱平衡プラズマと異なり、広い空間で放電させることが可能であるため、効率よく燃焼に寄与するラジカルを生成することができ、燃焼性向上に有効であることが確認されている。

特開２０１０−０３７９４９号公報 特開２０１４−０２６７５４号公報 特開２０１４−１０７１９８号公報 特開２０１４−１２３４３５号公報

しかしながら、従来の非熱平衡プラズマ点火プラグや非熱平衡プラズマ点火装置では、プラズマの生成量が十分でなく、着火性能を十分に向上させることができないという課題がある。そこで、プラズマの生成量を増加させる技術が望まれている。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、絶縁体の周囲の放電空間に非熱平衡プラズマを発生させる非熱平衡プラズマ点火プラグが提供される。非熱平衡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主体金具と、前記主体金具の先端部分において前記軸孔の内面との間にギャップを形成するように配設されるとともに前記主体金具に保持された絶縁体と、前記絶縁体の中心に保持された中心電極と、を備え、電源から前記点火プラグに印加された電圧に応じて非平衡プラズマを発生する非熱平衡プラズマ点火プラグである。この非熱平衡プラズマ点火プラグは、前記絶縁体の周囲の放電空間に面する前記絶縁体の表面に、平滑な表面から窪んだ部分である複数の凹部が形成されていることを特徴とする。
この非熱平衡プラズマ点火プラグによれば、放電空間に面する絶縁体の表面に複数の凹部が形成されているので、絶縁体の実質的な放電面積が増大して非熱平衡プラズマによるラジカルの発生量が増加し、着火性能を向上することができる。

（２）上記非熱平衡プラズマ点火プラグにおいて、前記放電空間に面する前記絶縁体の表面積を１００％とした時に、前記複数の凹部が占める表面積の占有率が２０％以上であるものとしてもよい。
この構成によれば、複数の凹部の表面積の占有率を２０％以上とすることによって着火性能を顕著に向上させることができる。

（３）上記非熱平衡プラズマ点火プラグにおいて、前記放電空間に面する前記絶縁体の表面積を１００％とした時に、前記複数の凹部が占める表面積の占有率が５０％以下であるものとしてもよい。
この構成によれば、複数の凹部の表面積の占有率を５０％以下とすることによって、電界が集中する箇所が発生して実質的な放電面積が却って減少し着火性能が低下することを防止できる。

（４）上記非熱平衡プラズマ点火プラグにおいて、前記複数の凹部の各凹部の開口端の円換算半径をＲとし、各凹部の深さをＤとしたとき、０．６≦Ｒ／Ｄ≦２を満たすものとしてもよい。
この構成によれば、Ｒ／Ｄをこの範囲内に設定することによって、着火性能をより向上させることができる。

（５）本発明の他の形態によれば、非熱平衡プラズマ点火装置が提供される。非熱平衡プラズマ点火装置は、前記非熱平衡プラズマ点火プラグと、前記非熱平衡プラズマ点火プラグに所定の電圧で高周波の交流電圧を印加する交流電源、又は、高電圧をパルス状に複数回印加する高速パルス電源のいずれかからなる高電圧電源、を備える。
この非熱平衡プラズマ点火装置によれば、交流電源又は高電圧電源を利用して、非平衡プラズマを点火することが可能である。

（６）上記非熱平衡プラズマ点火装置において、前記高速パルス電源が一周期内に高電圧を印加する印加時間が１ｎｓ以上２５０ｎｓ以下であるものとしてもよい。
この構成によれば、アーク放電を起こすことなく、放電空間内に非熱平衡プラズマを発生させることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、非熱平衡プラズマ装置、非熱平衡プラズマ装置用の点火プラグ等の形態で実現することができる。

一実施形態としての非熱平衡プラズマ点火装置の正面図。 一実施形態としての非熱平衡プラズマ点火装置の断面図。 絶縁体と中心電極の変形例を示す要部断面図。 凹部の構成例を示す説明図。 凹部の他の構成例を示す説明図。 凹部の表面積が着火性能に与える影響を示す説明図。 凹部の深さを変更したサンプルグループの着火性能を示す説明図。 他の実施形態としての非熱平衡プラズマ点火装置を示す図。 凸部の構成例を示す説明図。

図１（Ａ）は、本発明の一実施形態としての非熱平衡プラズマ点火装置３００を示す正面図であり、図１（Ｂ）はその下端部の拡大図である。非熱平衡プラズマ点火装置３００は、非熱平衡プラズマ点火プラグ１００と、高電圧電源２００とを備える。非熱平衡プラズマ点火プラグ１００を、単に「点火プラグ１００」とも呼ぶ。以下では、点火プラグ１００の軸線Ｏに沿った方向を上下方向と定義し、下側を点火プラグ１００の先端側、上側を後端側と定義する。この点火プラグ１００は、絶縁体１０と、中心電極２０と、端子金具４０と、主体金具５０とを備えている。主体金具５０は、絶縁体１０の外周を囲む筒状の部材であり、絶縁体１０は主体金具５０に保持されている。主体金具５０の下端部分は接地電極５５として機能する。接地電極５５については更に後述する。中心電極２０は、軸線Ｏに沿って延びる棒状の電極であり、絶縁体１０の軸孔内に挿入された状態で保持されている。中心電極２０は、絶縁体１０の軸孔の中心に保持されていることが好ましい。

絶縁体１０の下端を構成する下端円筒部１９は、主体金具５０の下端から下方に突出している。図１（Ｂ）に拡大して示すように、絶縁体１０の下端円筒部１９の表面には複数の凹部Ｄｐが形成されている。これらの凹部Ｄｐは、下端円筒部１９の表面積を増大させてプラズマの生成量を増加させるために設けられている。下端円筒部１９の構成については更に後述する。下端円筒部１９からは、中心電極２０が下方に突出している。端子金具４０は、電力の供給を受けるための端子であり、中心電極２０に電気的に接続されている。点火プラグ１００がエンジンヘッドに取り付けられると、主体金具５０がエンジンヘッドを介して接地される。

高電圧電源２００は、端子金具４０と主体金具５０との間に高電圧を印加することによって、アーク放電を起こすことなく非熱平衡プラズマを発生させる機能を有する。高電圧電源２００としては、高電圧をパルス状に複数回印加する高速パルス電源を使用することができる。例えば、高速パルス電源は、１回の点火を行うために、一周期内に高電圧を印加する印加時間を１ｎｓ以上２５０ｎｓ以下とした複数の高電圧パルスを周期的に印加することによって、アーク放電を起こすことなく非熱平衡プラズマを発生させることが可能である。このとき、発振の周期は、２０ｎｓ以上０．１ｍｓ以下（発振周波数は５０ＭＨｚ以下１０ｋＨｚ以上）とすることが好ましい。また、高電圧の電圧レベルは、１５ｋＶ以上５０ｋＶ以下とすることが好ましい。このようなパルス状の高電圧が周期的に印加されると、絶縁体１０の下端円筒部１９の表面に沿った放電空間にバリア放電が生じて、非熱平衡プラズマが生成される。

図２（Ａ）は、点火プラグ１００の断面図であり、図２（Ｂ）はその下端部の拡大図である。絶縁体１０は、セラミックス（例えばアルミナ）によって形成されており、軸線Ｏの方向に延びる軸孔１２が形成されている。絶縁体１０の軸線方向の略中央には、外径が最も大きな大径部１４が形成されている。大径部１４より後端側には、後端側胴部１３が形成されている。絶縁体１０の中央にある大径部１４よりも先端側には、後端側胴部１３よりも外径の小さな先端側胴部１５が形成されている。先端側胴部１５よりもさらに先端側には、第１テーパ部１６と、中間円筒部１７と、第２テーパ部１８と、下端円筒部１９とが形成されている。２つのテーパ部１６，１８の外径は、先端側に近づくにしたがって小さくなっている。下端円筒部１９と接地電極５５との間には、ギャップＧが形成されている。換言すれば、接地電極５５の軸孔の内面と絶縁体１０の下端円筒部１９の表面との間にギャップＧが形成されている。また、第２テーパ部１８もこのギャップＧに面している。絶縁体１０の第２テーパ部１８及び下端円筒部１９と、主体金具５０の下端部分である接地電極５５との間には、バリア放電が発生する。図２（Ｂ）に拡大して示すように、バリア放電が発生する放電空間ＤＳ（ハッチングを付した領域）は、絶縁体１０が空間に露出した部分（すなわち第２テーパ部１８及び下端円筒部１９）の周囲の全体に亘っている。点火プラグ１００が内燃機関のエンジンヘッドに取り付けられた状態では、放電空間ＤＳは、内燃機関の燃焼室に連通する。

中心電極２０は、絶縁体１０の軸孔１２内に配置され、後端側から先端側に向かって延びた棒状の部材である。本実施形態では、中心電極２０の先端は、絶縁体１０の先端側において露出している。絶縁体１０の軸孔１２内のうち、中心電極２０の後端と端子金具４０の先端の間には、シール体７２が封入されている。中心電極２０は、このシール体７２を介して端子金具４０に電気的に接続されている。

主体金具５０は、例えば低炭素鋼材などの金属材料によって形成された筒状の金具であり、絶縁体１０を内部に保持している。主体金具５０の外周には、工具係合部５１と、ネジ部５２とが形成されている。工具係合部５１は、点火プラグ用のレンチ（図示せず）が嵌合する部位である。主体金具５０のネジ部５２は、ネジ山が形成された部位であり、内燃機関のエンジンヘッドの取付ネジ孔に螺合する。

主体金具５０の工具係合部５１とネジ部５２との間には、径方向外側に突き出たフランジ状の鍔部５４が形成されている。ネジ部５２と鍔部５４との間には、環状のガスケット５９が嵌挿されている。ガスケット５９は、例えば金属の板状部材を折り曲げることによって形成されており、点火プラグ１００がエンジンヘッドに取り付けられた際に押し潰されて変形する。このガスケット５９の変形によって、点火プラグ１００とエンジンヘッドとの隙間が封止され、燃焼ガスの漏出が抑制される。

主体金具５０の工具係合部５１より後端側には、薄肉のカシメ部５３が形成されている。また、鍔部５４と工具係合部５１との間には、薄肉の座屈部５８が形成されている。主体金具５０の工具係合部５１からカシメ部５３にかけての内周面と、絶縁体１０の後端側胴部１３の外周面との間には、円環状のリング部材６１，６２が挿入されている。さらにこれらのリング部材６１，６２の間には、タルク（滑石）７０の粉末が充填されている。点火プラグ１００の製造工程において、カシメ部５３が内側に折り曲げられて加締められると、座屈部５８が圧縮力の付加に伴って外向きに変形（座屈）し、この結果、主体金具５０と絶縁体１０とが固定される。タルク７０は、この加締め工程の際に圧縮され、主体金具５０と絶縁体１０との間の気密性が高められる。

主体金具５０の内周には、径方向内側に突出した棚部５６が形成されている。この棚部５６は、絶縁体１０の第１テーパ部１６及び中間円筒部１７と係合する。なお、主体金具５０の棚部５６と絶縁体１０の第１テーパ部１６との間に環状のパッキンを設けて、気密性を高めるようにしてもよい。

端子金具４０には、プラグキャップ（図示せず）を介して高圧ケーブル（図示せず）が接続される。上述したように、この端子金具４０とエンジンヘッド（すなわち主体金具５０）との間に高周波数のパルス状の高電圧が印加されると、絶縁体１０の第２テーパ部１８及び下端円筒部１９と、主体金具５０の下端部分である接地電極５５との間に、バリア放電が発生する。

図２（Ｂ）及び図１（Ｂ）に示したように、絶縁体１０の下端円筒部１９の表面には複数の凹部Ｄｐが形成されている。前述したように、これらの凹部Ｄｐは、下端円筒部１９の表面積を増大させてプラズマの生成量を増加させるために設けられている。

図３は、絶縁体１０と中心電極２０の変形例を示す要部断面図である。この例では、絶縁体１０の下端円筒部１９ａが中心電極２０の先端部をすべて覆っている。この例からも理解できるように、中心電極２０は、絶縁体１０の下端円筒部１９に保持されていれば良く、中心電極２０の先端部が絶縁体１０の下端円筒部１９から下方に突出する形態（図１及び図２）と、中心電極２０の先端部が絶縁体１０の下端円筒部１９ａにすべて覆われている形態（図３）のいずれの形態も採用可能である。但し、中心電極２０が露出している形態の場合には、電源の条件や周辺の雰囲気の状態によっては非平衡プラズマを安定的に維持することができない可能性がある。この意味からは、中心電極２０の全体を絶縁体１０で覆った形態(中心電極２０が露出していない形態)とすることが好ましい。

なお、図１，図２，図３に示す形態では、中心電極２０及び絶縁体１０の下端円筒部１９が接地電極５５の下端に突出するように点火プラグ１００を構成していたが、中心電極２０及び絶縁体１０の下端円筒部１９が接地電極５５の下端から突出しないように点火プラグ１００を構成してもよい。但し、中心電極２０及び絶縁体１０の下端円筒部１９が接地電極５５の下端から突出するようにすれば、放電空間ＤＳ（図２（Ｂ））がより大きくなるので、プラズマやラジカルをより多量に発生できる点で好ましい。

図４（Ａ），（Ｂ）は、凹部Ｄｐの構成例を示す説明図である。図４（Ａ）は、開口端ＯＥの形状が円形であり、深さ方向に略半球形状（略円弧状）に窪んだ第１の凹部Ｄｐ１の例を示している。第１の凹部Ｄｐ１の開口端ＯＥの半径をＲとし、深さをＤとする。ここで、開口端ＯＥは、絶縁体１０の下端円筒部１９の表面ＰＳと、凹部Ｄｐ１の内面ＩＳとが交差する部分である。第１の凹部Ｄｐ１の断面形状は、Ｒ／Ｄの値に応じて以下の３種類に分類できる。
（１）Ｒ／Ｄ＜１．０：凹部Ｄｐ１の断面形状は半球形よりも浅い形状
（２）Ｒ／Ｄ＝１．０：凹部Ｄｐ１の断面形状は半球形
（３）１．０＜Ｒ／Ｄ：凹部Ｄｐ１の断面形状は半球形よりも深い形状
Ｒ／Ｄの値と着火性能との関係については後述する。

図４（Ｂ）に示す凹部Ｄｐ１’は、図４（Ａ）に示す第１の凹部Ｄｐ１の開口端ＯＥ（すなわち凹部Ｄｐ１の角）に面取り部が設けられている。面取り部としては、Ｒ面取りやＣ面取りを採用可能である。開口に面取り部を設けた場合にも、開口端ＯＥは、絶縁体１０の下端円筒部１９の表面ＰＳと、凹部Ｄｐ１の内面ＩＳとをそれぞれ延長したときに、これらが相互に交差する部分として定義される。後述する他の凹部についても同様である。図４（Ｂ）の凹部Ｄｐ１’も、図４（Ａ）の凹部Ｄｐ１とほぼ同じ構成であり、ほぼ同様な効果を奏する。但し、図４（Ｂ）の凹部Ｄｐ１’では、凹部Ｄｐ１’の角（開口端ＯＥ）に面取り部が設けられているので、図４（Ａ）の凹部Ｄｐ１に比べて電界集中を抑制できる点で好ましい。

図５（Ａ）〜（Ｄ）は、凹部Ｄｐの他の構成例を示す説明図である。図５（Ａ）は、図４（Ａ）に示した第１の凹部Ｄｐ１と同じものである。図５（Ｂ）は、開口端ＯＥの形状が円形であり、深さ方向に略矩形形状に窪んだ第２の凹部Ｄｐ２の例を示している。図５（Ｃ）は、開口端ＯＥの形状が円形であり、また、深さ方向に略台形形状に窪んだ第３の凹部Ｄｐ３の例を示している。図５（Ｄ）は、開口端ＯＥの形状が矩形であり、深さ方向に略台形形状に窪んだ第４の凹部Ｄｐ４の例を示している。第４の凹部Ｄｐ４のように、開口端ＯＥの形状が円形でない場合には、開口端ＯＥの円換算半径をＲとし、深さをＤとすることが可能である。これらの種々の凹部Ｄｐ１〜Ｄｐ４は、いずれを採用してもよい。但し、絶縁体１０の加工の容易さの観点からは、第１の凹部Ｄｐ１の形状が好ましい。なお、図５（Ｂ）〜図５（Ｄ）に示した凹部Ｄｐ２〜Ｄｐ４についても、図４（Ｂ）に示した凹部Ｄｐ１’と同様に、凹部Ｄｐ１’の角（開口端ＯＥ）を曲面とすることが好ましい。

図６は、凹部Ｄｐの表面積が着火性能に与える影響を示す説明図である。ここでは、図６（Ｂ）に示す８つのサンプルＳ０１〜Ｓ０８について着火限界空燃比（リーンリミットＡ／Ｆ）の試験を行った。これらのサンプルＳ０１〜Ｓ０８は、すべて図１及び図２に示した点火プラグ１００の構成を有している。「絶縁体の仮想表面積」の欄の値は、放電空間ＤＳ（図２（Ｂ））に面した絶縁体部分（第２テーパ部１８及び下端円筒部１９）の表面積であり、いずれも１９２ｍｍ^２である。なお、「仮想表面積」という用語は、凹部Ｄｐが窪んでいることによる表面積の増加分を考慮していない値（すなわち、凹部Ｄｐの無い平滑な表面の面積）であることを意味している。サンプルＳ０２〜Ｓ０８では、備考欄に示すように、半球状の凹部Ｄｐを下端円筒部１９の表面に形成した。凹部Ｄｐの開口端の直径２Ｒはいずれも０．６ｍｍとした。「凹部の占有表面積」の欄の値は、凹部Ｄｐの開口端の円の面積の合計である。「凹部の面積占有率」の欄の値は、凹部Ｄｐの占有表面積を絶縁体の仮想表面積で除した値の百分率である。なお、放電空間ＤＳに面した絶縁体部分のうち、第２テーパ部１８の軸方向長さを１．４ｍｍとし、下端円筒部１９の軸方向長さを１４．５ｍｍとした。また、下端円筒部１９のうちで、接地電極５５から下方に突出した部分の軸方向長さを８．５ｍｍとした。

図６（Ｂ）の右から２番目の欄における「Ａ／Ｆ向上値」は、凹部Ｄｐが形成されていないサンプルＳ０１における着火限界空燃比を基準としたときの各サンプルＳ０２〜Ｓ０８の着火限界空燃比の増加量である。着火限界空燃比の試験は以下のように行った。まず、点火装置に組み付けた評価試験対象の各サンプルを試験用チャンバに取り付けて、試験用チャンバ内を大気とプロパンとの混合気で充満した。そして、４０ｋＶでパルス幅１０ｎｓのパルス状電圧を印加することによって放電空間ＤＳにバリア放電を発生させ、混合気の着火の有無を確認した。この計測を各サンプルに対して種々の混合比（空燃比）を変更するごとに１０回試み、２回失火が発生した時点での混合気の空燃比を「着火限界空燃比」とした。サンプルＳ０１の着火限界空燃比は１８．０であった。Ａ／Ｆ向上値は、サンプルＳ０２〜Ｓ０８の着火限界空燃比からサンプルＳ０１の着火限界空燃比を差し引いた値である。このＡ／Ｆ向上値が大きいほど、よりリーンな混合気で着火しやすいので、着火性能が優れている。

図６（Ａ）は、サンプルＳ０１〜Ｓ０８の凹部Ｄｐの面積占有率とＡ／Ｆ向上値との関係を示すグラフである。このグラフから理解できるように、絶縁体１０の表面に凹部Ｄｐが形成されているサンプルＳ０２〜Ｓ０８では、凹部Ｄｐが形成されていないサンプルＳ０１に比べて着火限界空燃比が大きく、着火性能により優れている。特に、凹部Ｄｐの面積占有率を２０％以上とすれば、着火性能を顕著に向上させることができる。凹部Ｄｐを形成することによって着火限界空燃比が向上する理由は、凹部Ｄｐの内面によって絶縁体表面の面積が増加したためだと推測される。

なお、凹部Ｄｐの面積占有率には物理的限界が存在する。例えば、凹部Ｄｐの開口端ＯＥ（図５（Ａ）参照）が円形の場合に、絶縁体１０の表面の展開図上において円形の開口端ＯＥが互いに接するように各凹部Ｄｐの開口端ＯＥの中心を正三角形の頂点位置に配置すれば、凹部Ｄｐの稠密配置が得られる。この稠密配置では、凹部Ｄｐの面積占有率は９０．７％となる。従って、通常は、凹部Ｄｐの面積占有率は９０％以下となる。但し、凹部Ｄｐの表面積占有率が過度に大きくなると、電界が集中する箇所が発生して実質的な放電面積が却って減少し着火性能が低下する可能性がある。この観点からは、凹部Ｄｐの面積占有率を５０％以下とすることによって、電界が集中する箇所が発生して実質的な放電面積が却って減少し着火性能が低下することを防止できる点で好ましい。

図７は、凹部Ｄｐの深さを変更したサンプルグループの着火性能を示す説明図である。ここでは、図７（Ｂ）に示す５つのサンプルグループＳＧ１〜ＳＧ６を比較した。第３のサンプルグループＳＧ３は、図６に示した８つのサンプルＳ０１〜Ｓ０８で構成されるグループである。この第３のサンプルグループＳＧ３の凹部Ｄｐの直径２Ｒは０．６ｍｍであり、深さＤは０．３ｍｍである。他のサンプルグループは、凹部Ｄｐの直径２Ｒを０．６ｍｍに維持したまま、深さＤを第３のサンプルグループＳＧ３とは異なる値にそれぞれ設定したグループである。図７（Ｂ）の下段には、各サンプルグループのパラメータＲ／Ｄの値を示している。なお、凹部Ｄｐは、図５（Ａ）に示したように、開口端ＯＥが円形であり、また、深さ方向の断面形状の輪郭が円弧状の凹部として形成した。

図７（Ａ）は、サンプルグループＳＧ１〜ＳＧ６の凹部Ｄｐの面積占有率とＡ／Ｆ向上値との関係を示すグラフである。このグラフから理解できるように、いずれのサンプルグループＳＧ１〜ＳＧ６においても、絶縁体１０の表面に凹部Ｄｐが形成されているサンプルでは、凹部Ｄｐが形成されていないサンプルに比べて着火限界空燃比が大きく、着火性能により優れている。また、いずれのサンプルグループＳＧ１〜ＳＧ６においても、凹部Ｄｐの面積占有率を２０％以上とすれば、着火性能を顕著に向上させることができる。なお、第３のサンプルグループＳＧ３以外の他のサンプルグループＳＧ１，ＳＧ２，ＳＧ４，ＳＧ５，ＳＧ６においては、凹部Ｄｐの面積占有率が５０％のサンプルについて試験を行わなかった。但し、これらの他のサンプルグループについても、凹部Ｄｐの面積占有率が５０％での実験結果は、図７（Ａ）のグラフを外挿したＡ／Ｆ向上値を示すものと推定される。

パラメータＲ／Ｄの値が０．６から２．０の範囲にあるサンプルグループＳＧ２〜ＳＧ５では、Ａ／Ｆ向上値が大きく、着火性能に優れている。一方、パラメータＲ／Ｄの値が０．４である第１のサンプルグループＳＧ１と、パラメータＲ／Ｄの値が３．０である第６のサンプルグループＳＧ６では、他のサンプルグループに比べてＡ／Ｆ向上値が小さく、着火性能の点でやや劣っている。パラメータＲ／Ｄの値が３．０である第６のサンプルグループＳＧ６の着火性能が劣っている理由は、凹部Ｄｐの深さＤが小さ過ぎたために、絶縁体表面の面積が実質的にそれほど増加しなかったためであると推定される。また、パラメータＲ／Ｄの値が０．４である第１のサンプルグループＳＧ１の着火性能が劣っている理由は、凹部Ｄｐの深さＤが大き過ぎたために、凹部Ｄｐの深い底部で発生した放電が、着火にあまり寄与しなかったためであると推定される。

なお、図６及び図７に示した試験結果は、図５（Ａ）に示した形状の凹部Ｄｐ１を用いた場合の結果であるが、図５（Ｂ）〜図５（Ｄ）や図４（Ｂ）に示した他の形状の凹部を用いた場合にも、同様の結果が得られると推定される。この理由は、図６及び図７における着火限界空燃比の向上の効果が、凹部を設けることによる実質的な表面積の増大によるものと推定されるからであり、凹部の形状には依存しないものと推定されるからである。

ところで、第１のサンプルグループＳＧ１のように凹部Ｄｐの深さＤが大きなサンプルでは、凹部Ｄｐの開口端ＯＥに電界集中が発生して、着火限界空燃比を却って低下させてしまう可能性がある。電界集中による着火限界空燃比の低下を防止するという観点から考えると、絶縁体表面の実質的な表面積を増大させる手段として、絶縁体表面に凸部を設けるのでは無く、凹部Ｄｐを設けることが好ましい。なお、絶縁体表面に凹凸が存在するという意味からは、絶縁体表面に多数の凸部を形成した場合も、絶縁体表面に多数の凹部を形成した場合と類似している。但し、本明細書において、「凹部」という語句は、多数の凸部の形成された表面における窪んだ部分を意味しておらず、平滑な表面から窪んだ部分を意味している。ここで、「平滑な表面」は、凹部Ｄｐを除いた部分の表面のすべてを占めることが好ましく、特に、凹部Ｄｐを含む表面の５０％以上を占めることが好ましい。後者の場合には、凹部Ｄｐの面積占有率は５０％未満となる。

このように、本実施形態の非熱平衡プラズマ点火装置によれば、放電空間ＤＧに面する絶縁体表面に複数の凹部Ｄｐが形成されているので、絶縁体の実質的な放電面積が増大して非熱平衡プラズマによるラジカルの発生量が増加し、着火性能が向上する。

図８は、他の実施形態としての非熱平衡プラズマ点火装置の点火プラグ１００ａの下端部を示す図である。図８（Ａ）は図１（Ｂ）に相当する図であり、図８（Ｂ）はその拡大図である。この点火プラグ１００ａは、絶縁体１０の下端円筒部１９の表面において、複数の凹部Ｄｐの代わりに複数の凸部Ｐｒが形成されている点で図１に示した点火プラグ１００と異なっており、他の構成は図１のものと同じである。複数の凸部Ｐｒは、下端円筒部１９の表面積を増大させてプラズマの生成量を増加させるために設けられている。これらの凸部Ｐｒは、例えば、型形成又は溶射によって形成することができる。

図９は、凸部Ｐｒの各種の構成例を示す説明図である。これらの凸部Ｐｒ１〜Ｐｒ４は、それぞれの裾端ＰＰで囲われた領域において、高さＤだけ突起した形状を有している。図９に示した４種類の凸部Ｐｒ１〜Ｐｒ４は、図５に示した４種類の凹部Ｄｐ１〜Ｄｐ４にそれぞれ対応した形状を有している。すなわち、図９に示した凸部Ｐｒ１〜Ｐｒ４の裾端ＰＰは図５に示した凹部Ｄｐ１〜Ｄｐ４の開口端ＯＥに対応しており、また、凸部Ｐｒ１〜Ｐｒ４の高さＤは凹部Ｄｐ１〜Ｄｐ４の深さＤに対応している。また、凸部Ｐｒ１〜Ｐｒ４における裾端ＰＰの半径（又は円換算半径）Ｒは、凹部Ｄｐ１〜Ｄｐ４における開口端ＯＥの半径（又は円換算半径）Ｒに対応している。更に、第４の凸部Ｐｒ４の裾端ＰＰの一辺の長さＬは、第４の凹部Ｄｐ４の開口端ＯＥの一辺の長さＬに対応している。なお、これらの凸部Ｐｒに関しても、図４（Ｂ）で説明した面取り部を設けるようにしてもよい。

凸部Ｐｒに関しても、凹部Ｄｐに関して得られた図６と図７の結果とほぼ同様の結果が得られるものと推定される。また、凹部Ｄｐに関して説明した各種の変形例や好ましい数値範囲は凸部Ｐｒにもほぼ同様に適用可能である。

以上説明したように、複数の凸部Ｐｒを絶縁体１０の表面に設けた場合にも、複数の凹部Ｄｐを設けた場合とほぼ同様の効果が得られる。すなわち、複数の凸部Ｐｒによって絶縁体１０の実質的な放電面積が増大するので、非熱平衡プラズマによるラジカルの発生量が増加し、着火性能を向上することができる。

凹部Ｄｐと凸部Ｐｒとはほぼ同様の効果を有するので、本明細書では、両者を包含する用語として「複数の凹部又は凸部」を使用する。例えば、「絶縁体１０の表面に形成された複数の凹部又は凸部」という語句は、「絶縁体１０の表面に形成された複数の凹部」という意味と、「絶縁体１０の表面に設けられた複数の凸部」という意味の両方を包含する。なお、絶縁体１０の表面に複数の凹部Ｄｐが形成されている場合には、凸部Ｐｒは形成されていなくても良い。反対に、絶縁体１０の表面に複数の凸部Ｐｒが形成されている場合には、凹部Ｄｐは形成されていなくても良い。すなわち、絶縁体１０の表面には、複数の凹部Ｄｐと複数の凸部Ｐｒのうちの一方のみが形成されていることが好ましい。

・変形例
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

・変形例１：
非熱平衡プラズマ点火装置としては、図１に示したもの以外の種々の構成を有する非熱平衡プラズマ点火装置を本発明に適用することが可能である。特に、端子金具と絶縁体と主体金具の具体的な形状については、様々な変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、主体金具が接地電極の機能を兼ねているものと説明したが、主体金具に対して、別途、接地電極を接合してもよい。また、上述した実施形態では、高電圧電源２００として、高速パルス電源を用いていたが、これに限られず、所定の電圧で高周波の交流電圧を印加する交流電源を高電圧電源２００として用いても良い。

１０…絶縁体
１２…軸孔
１３…後端側胴部
１４…大径部
１５…先端側胴部
１６…第１テーパ部
１７…中間円筒部
１８…第２テーパ部
１９…下端円筒部
２０…中心電極
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…ネジ部
５３…カシメ部
５４…鍔部
５５…接地電極
５６…棚部
５８…座屈部
５９…ガスケット
６１…リング部材
７０…タルク
７２…シール体
１００…点火プラグ（非熱平衡プラズマ点火プラグ）
２００…高電圧電源
３００…非熱平衡プラズマ点火装置

Claims (6)

1. 軸線方向に延びる軸孔を有する筒状の主体金具と、前記主体金具の先端部分において前記軸孔の内面との間にギャップを形成するように配設されるとともに前記主体金具に保持された絶縁体と、前記絶縁体の中心に保持された中心電極と、を備え、電源から点火プラグに印加された電圧に応じて非平衡プラズマを発生する非熱平衡プラズマ点火プラグにおいて、
   前記絶縁体の周囲の放電空間に面する前記絶縁体の表面に、平滑な表面から窪んだ部分である複数の凹部が形成されていることを特徴とする非熱平衡プラズマ点火プラグ。
2. 請求項１に記載の非熱平衡プラズマ点火プラグであって、
   前記放電空間に面する前記絶縁体の表面積を１００％とした時に、前記複数の凹部が占める表面積の占有率が２０％以上である、ことを特徴とする非熱平衡プラズマ点火プラグ。
3. 請求項２に記載の非熱平衡プラズマ点火プラグであって、
   前記放電空間に面する前記絶縁体の表面積を１００％とした時に、前記複数の凹部が占める表面積の占有率が５０％以下である、ことを特徴とする非熱平衡プラズマ点火プラグ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の非熱平衡プラズマ点火プラグであって、
   前記複数の凹部の各凹部の開口端の円換算半径をＲとし、各凹部の深さをＤとしたとき、０．６≦Ｒ／Ｄ≦２を満たす、
   ことを特徴とする非熱平衡プラズマ点火プラグ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の非熱平衡プラズマ点火プラグと、
   前記点火プラグに所定の電圧で高周波の交流電圧を印加する交流電源、又は、高電圧をパルス状に複数回印加する高速パルス電源のいずれかからなる高電圧電源と、を備えることを特徴とする非熱平衡プラズマ点火装置。
6. 請求項５に記載の非熱平衡プラズマ点火装置であって、
   前記高電圧電源は前記高速パルス電源であり、前記高速パルス電源が一周期内に高電圧を印加する印加時間が１ｎｓ以上２５０ｎｓ以下である、ことを特徴とする非熱平衡プラズマ点火装置。

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