JP6548610B2 - プラズマジェットプラグ - Google Patents

Description

本明細書は、内燃機関等において燃料ガスに点火するためのプラズマジェットプラグに関する。

内燃機関において、燃料ガスに点火するための点火プラグの１つとして、プラズマジェットプラグが知られている（例えば、特許文献１）。プラズマジェットプラグでは、セラミックス等の絶縁体で囲まれた放電空間（キャビティとも呼ぶ）の内部に、中心電極と接地電極との間の火花ギャップが配置される。火花ギャップに火花を発生（放電）させると、キャビティ内の気体が励起されることによって、キャビティ内にプラズマが生成される。そして、キャビティ内で生成されたプラズマが、キャビティの外部に噴出することによって、燃料ガスへの点火が行われる。プラズマジェットプラグは、火花放電によって直接に燃料ガスに点火するスパークプラグと比較して、燃焼の広がりが速く、空燃比の高い希薄混合気に対しても確実に点火することができる利点がある。

特開２００８−４５４４９号公報

しかしながら、プラズマジェットプラグのキャビティが比較的大きい場合には、キャビティ内に生成されるプラズマが外部に噴出される量が低下しやすいために、着火性能が低下しやすい。また、キャビティが比較的小さい場合には、キャビティを形成する絶縁体に沿って火花が発生する沿面放電によって絶縁体が損傷を受けやすいために、耐久性能が低下しやすい。さらに、絶縁体の温度が過度に高くなるとプレイグニッションが発生することから、プラズマジェットプラグでは、着火性能と耐久性能と熱引き性能との全てを満たすことが困難であるという課題があった。

本明細書に開示される技術は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。

［適用例１］軸線方向に延びる棒状の中心電極と、
前記軸線方向に延び、先端側に前記中心電極が配置された軸孔を有する筒状の絶縁体と、
前記絶縁体の外周に配置され、外周面にネジが形成された主体金具と、
前記主体金具に電気的に接続され、前記絶縁体の先端側に配置されたオリフィス電極と、
を備えるプラズマジェットプラグであって、
前記絶縁体は、
大径部と、前記大径部よりも小さな外径を有し前記大径部より先端側に配置された小径部と、を備え、前記軸孔を有する第１部材と、
前記軸線方向に延び、後端側に前記小径部が内挿された貫通孔を有する第２部材と、
を備え、
前記第１部材の先端部分と、前記第２部材の先端部分と、前記中心電極の表面と、前記オリフィス電極の内面と、によってキャビティが形成され、
前記プラズマジェットプラグは、さらに、
前記第１部材の外面と接触するとともに、前記主体金具の内面と接触する第１パッキンと、
前記第２部材の外面と接触するとともに、前記主体金具の内面と接触する第２パッキンと、
を備え、
前記第１パッキンの前記軸線方向の位置は、前記主体金具の外周面に前記ネジが形成されている前記軸線方向の範囲内であることを特徴とする、プラズマジェットプラグ。

上記構成によれば、第１部材の先端部分と、第２部材の先端部分と、中心電極の表面と、オリフィス電極の内面と、によってキャビティが形成される。この結果、キャビティを形成する絶縁体の表面の形状を複雑化することができる。このために、キャビティの容量を過度に大きくすることなく、絶縁体の表面に沿って火花が放電する経路（以下、沿面経路）を長くすることができる。この結果、プラズマの噴出量を低下させることなく、沿面放電の発生を抑制できるので、プラズマジェットプラグの耐久性能と着火性能とを両立することができる。さらに、第１パッキンは、第１部材の外面と接触するとともに、主体金具の内面と接触しており、第２パッキンは、第２部材の外面と接触するとともに、主体金具の内面と接触している。そして、第１パッキンの軸線方向の位置は、ネジが形成されている軸線方向の範囲内である。この結果、絶縁体の熱引き性能を向上することができる。この結果、プラズマジェットプラグは、着火性能と耐久性能と熱引き性能との全てを満たすことができる。

［適用例２］適用例１に記載のプラズマジェットプラグであって、さらに、
前記主体金具の先端側に固定されるとともに、前記第２部材を先端側から後端側に向かって支持する先端金具を備えることを特徴とする、プラズマジェットプラグ。

上記構成によれば、先端金具によって、第２部材を先端側から後端側に向かって支持するので、第１部材を、第１パッキンを介して、主体金具と接触させるとともに、第２部材を、第２パッキンを介して、主体金具と接触させる構造を容易に実現できる。

［適用例３］適用例１または２に記載のプラズマジェットプラグであって、
前記第２パッキンの前記軸線方向の位置は、前記主体金具の外周面に前記ネジが形成されている前記軸線方向の範囲内であることを特徴とする、プラズマジェットプラグ。

上記構成によれば、第２部材の熱引き性能を、さらに、向上することができる。

［適用例４］適用例１〜３のいずれか一項に記載のプラズマジェットプラグであって、
前記主体金具は、内周面から径方向の内側に向かって突出する棚部を備え、
前記第１部材は、前記第１パッキンを介して、前記棚部の後端側に接触し、
前記第２部材は、前記第２パッキンを介して、前記棚部の先端側に接触する、プラズマジェットプラグ。

上記構成によれば、第１部材を、第１パッキンを介して、主体金具と接触させるとともに、第２部材を、第２パッキンを介して、主体金具と接触させる構造を容易に実現できる。

なお、本明細書に開示される技術は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、プラズマジェットプラグやプラズマジェットプラグを用いた点火装置、そのプラズマジェットプラグを搭載する内燃機関、そのプラズマジェットプラグを用いた点火装置を搭載する内燃機関、プラズマジェットプラグ用の絶縁体の製造方法等の態様で実現することができる。

実施形態のプラズマジェットプラグ１００の全体を示す図。 実施形態のプラズマジェットプラグ１００の先端近傍の断面図。 点火装置５００の概略構成を示すブロック図。 比較形態のプラズマジェットプラグの先端近傍の断面図。

Ａ．実施形態：
Ａ−１．プラズマジェットプラグの全体構成：
以下、本発明の実施の態様を実施形態に基づいて説明する。図１は本実施形態のプラズマジェットプラグ１００の全体を示す図である。図１の軸線ＣＯより右側には、プラズマジェットプラグ１００の外観が図示され、軸線ＣＯの左側には、軸線ＣＯを含む面で切断した断面図が示されている。図２は、プラズマジェットプラグ１００の先端近傍を、軸線ＣＯが含まれる面で切断した断面図である。軸線ＣＯと平行な方向（図１、図２の上下方向）を軸線方向とも呼ぶ。軸線ＣＯを中心とする円の径方向を、単に「径方向」とも呼び、軸線ＣＯを中心とする円の周方向を、単に「周方向」とも呼ぶ。図１、図２における下方向を先端方向Ｄ１と呼び、上方向を後端方向Ｄ２とも呼ぶ。図１、図２における下側をプラズマジェットプラグ１００の先端側と呼び、図１、図２における上側をプラズマジェットプラグ１００の後端側と呼ぶ。

プラズマジェットプラグ１００は、絶縁体１０と、中心電極２０と、接地電極３０と、端子金具４０と、主体金具５０と、先端金具６０と、を備える（図１）。

絶縁体１０は、軸線方向に沿って延び、絶縁体１０を貫通する軸孔１２Ａを有する略円筒形状を有する筒状体である。絶縁体１０は、第１部材１０Ａと、第２部材１０Ｂと、の２個の部材によって構成されている。第１部材１０Ａと第２部材１０Ｂとは、アルミナ等を焼成して形成されている。

第１部材１０Ａは、絶縁体１０の大部分を占める略円筒形状を有する部材であり、上述した軸孔１２Ａは、第１部材１０Ａに形成されている。第１部材１０Ａは、鍔部１９Ａと、後端側胴部１８Ａと、先端側胴部１７Ａと、脚長部１３Ａと、を備えている。後端側胴部１８Ａは、鍔部１９Ａより後端側に位置し、鍔部１９Ａの外径より小さな外径を有している。先端側胴部１７Ａは、鍔部１９Ａより先端側に位置し、後端側胴部１８Ａの外径より小さな外径を有している。脚長部１３Ａは、先端側胴部１７Ａより先端側に位置し、先端側胴部１７Ａの外径より小さな外径を有している。先端側胴部１７Ａの外径は、脚長部１３Ａの外径より大きいので、先端側胴部１７Ａを、第１部材１０Ａの「大径部」とも呼び、脚長部１３Ａを、第１部材１０Ａの「小径部」とも呼ぶ。

第２部材１０Ｂは、軸線方向に沿って延び、第２部材１０Ｂを貫通する貫通孔１２Ｂを有する略円筒形状を有する部材である。第２部材１０Ｂの軸線方向の長さは、第１部材１０Ａより短く、第１部材１０Ａの脚長部１３Ａより僅かに長い。第２部材１０Ｂの貫通孔１２Ｂの後端側には、第１部材１０Ａの脚長部１３Ａ（小径部）が挿入（内挿）されている。第１部材１０Ａと第２部材１０Ｂの構成の詳細については、後述する。

主体金具５０は、導電性の金属材料（例えば、低炭素鋼材）で形成され、内燃機関のエンジンヘッド（図示省略）にプラズマジェットプラグ１００を固定するための略円筒形状の部材（筒状体）である。主体金具５０は、軸線ＣＯに沿って貫通する挿通孔５９が形成されている。主体金具５０は、絶縁体１０の外周に配置されている。より詳しくは、挿通孔５９内に、絶縁体１０のうちの第２部材１０Ｂの後端側と、第１部材１０Ａの後端側胴部１８Ａの先端側の一部と、鍔部１９Ａと、先端側胴部１７Ａと、脚長部１３Ａと、が配置されている。

主体金具５０は、スパークプラグレンチが係合する六角柱形状の工具係合部５１と、内燃機関に取り付けるための取付ネジ部５２と、工具係合部５１と取付ネジ部５２との間に形成された鍔状の座部５４と、を備えている（図１）。例えば、取付ネジ部５２の呼び径は、Ｍ８（８ｍｍ（ミリメートル））、Ｍ１０、Ｍ１２、Ｍ１４、Ｍ１８のいずれかとされている。

主体金具５０の取付ネジ部５２と座部５４との間には、金属板を折り曲げて形成された環状のガスケット５が嵌挿されている（図１）。ガスケット５は、プラズマジェットプラグ１００が内燃機関に取り付けられた際に、プラズマジェットプラグ１００と内燃機関（エンジンヘッド）との隙間を封止する。

主体金具５０は、さらに、工具係合部５１の後端側に設けられた薄肉の加締部５３と、座部５４と工具係合部５１との間に設けられた薄肉の圧縮変形部５８と、を備えている（図１）。主体金具５０における工具係合部５１から加締部５３に至る部位の内周面と、第１部材１０Ａの後端側胴部１８Ａの外周面との間に形成される環状の領域には、環状の線パッキン６、７が配置されている。当該領域における２つの線パッキン６、７の間には、タルク（滑石）９の粉末が充填されている。

加締部５３の後端は、径方向内側に折り曲げられて、第１部材１０Ａの外周面に固定されている。主体金具５０の圧縮変形部５８は、製造時において、第１部材１０Ａの外周面に固定された加締部５３が先端側に押圧されることにより、圧縮変形する。

中心電極２０は、軸線ＣＯに沿って延びる棒状の部材であり、第１部材１０Ａの軸孔１２Ａの先端側の部分に配置されている。中心電極２０は、導電性を有し、高温での耐酸化性に優れる金属材料、例えば、ニッケル（Ｎｉ）またはＮｉを主成分とする合金（具体的には、ＮＣＦ６００、ＮＣＦ６０１）を用いて形成されている。なお、中心電極２０は、内部に埋設され、Ｎｉ又はＮｉを主成分として含む合金よりも熱伝導性に優れる金属、例えば、銅または銅を主成分とする合金で形成された芯材を含んでもよい。

先端金具６０は、主体金具５０の先端に接合されている。接地電極３０は、先端金具６０に取り付けられている。先端金具６０および接地電極３０は、導電性を有し、高温での耐酸化性に優れる金属材料を用いて形成されている。例えば、先端金具６０には、ニッケル（Ｎｉ）またはＮｉを主成分とする合金（具体的には、ＮＣＦ６００、ＮＣＦ６０１）が用いられる。また、接地電極３０には、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）や、これらの金属を主成分とする合金などが用いられる。中心電極２０、先端金具６０、接地電極３０を含むプラズマジェットプラグ１００の先端近傍の構成の詳細については、後述する。

端子金具４０は、軸線ＣＯに沿って延びる棒状の部材である。端子金具４０は、導電性の金属材料（例えば、低炭素鋼）で形成され、その表面は、防食のための金属層（例えば、Ｎｉ層）がメッキなどによって形成されている。端子金具４０は、軸線方向の所定位置に形成された鍔部４２と、鍔部４２より後端側に位置するキャップ装着部４１と、鍔部４２より先端側の脚部４３と、を備えている。端子金具４０の後端を含むキャップ装着部４１は、絶縁体１０の後端側に露出している。端子金具４０の先端を含む脚部４３は、第１部材１０Ａの軸孔１２Ａに挿入されている。キャップ装着部４１には、高圧ケーブル（図示省略）が接続されたプラグキャップが装着され、火花を発生するための高電圧が印加される。

第１部材１０Ａの軸孔１２Ａ内において、端子金具４０の脚部４３の先端と中心電極２０の後端との間の領域は、導電性シール４によって埋められている。これにより、端子金具４０と中心電極２０とは、電気的に導通している。導電性シール４は、例えば、金属粒子とガラス粒子とを含む組成物で形成されている。

Ａ−２． プラズマジェットプラグ１００の先端近傍の構成：
上述したプラズマジェットプラグ１００の先端近傍の構成について、図２の断面図を参照して、さらに、詳細に説明する。

第１部材１０Ａに形成された軸孔１２Ａは、後端側の大径孔１２１Ａと、先端側の小径孔１２３Ａと、大径孔１２１Ａと小径孔１２３Ａとの間に位置し、後端側から先端側に向かって縮径する縮径孔１２２Ａと、を含んでいる。

中心電極２０は、頭部２３と、鍔部２４と、脚部２５と、放電部２６と、を備えている。鍔部２４は、頭部２３より先端側に位置し、頭部２３より大きな外径を有する。脚部２５は、鍔部２４より先端側に位置する。脚部２５の外径は、鍔部２４より小さく、小径孔１２３Ａの径とほぼ等しい。放電部２６は、脚部２５より先端側に位置し、脚部２５より小さな外径を有する。また、放電部２６の外径は、後端側から先端側に向かって縮径している。放電部２６の先端側の面は、接地電極３０との間で、火花ギャップを形成する放電面２６Ｓである。鍔部２４の先端側の面は、第１部材１０Ａの縮径孔１２２Ａを形成する内周面（縮内径面）によって先端側から支持されている。頭部２３および鍔部２４は、導電性シール４によって後端側から支持されている。これによって、中心電極２０は、脚部２５および放電部２６が小径孔１２３Ａ内に位置するように、第１部材１０Ａの軸孔１２Ａ内に保持されている。

主体金具５０の挿通孔５９を形成する内周面には、径方向の内側に向かって突出する棚部５６が形成されている。棚部５６は、棚部５６の後端に位置し、後端側から先端側に向かって内径が縮径した縮内径部５６Ａと、棚部５６の先端に位置し、後端側から先端側に向かって内径が拡径した拡内径部５６Ｂと、を備えている。

第１部材１０Ａの先端側胴部１７Ａは、第１後端等径部１７１Ａと、第１後端等径部１７１Ａより先端側の第１先端等径部１７３Ａと、第１後端等径部１７１Ａと第１先端等径部１７３Ａとの間に位置する中間縮外径部１７２Ａと、を備えている。中間縮外径部１７２Ａの外径は、後端側から先端側に向かって縮径している。

先端側胴部１７Ａの中間縮外径部１７２Ａと、棚部５６の縮内径部５６Ａと、の間には、金属製の環状の板パッキンである第１パッキン８Ａが配置されている。上述したように、製造時において、第１部材１０Ａの外周面に固定された加締部５３（図１）が先端方向Ｄ１に押圧されることにより、圧縮変形部５８が圧縮変形すると、線パッキン６、７およびタルク９を介し、第１部材１０Ａが主体金具５０の挿通孔５９内で先端方向Ｄ１に押圧される。この結果、第１部材１０Ａは、第１パッキン８Ａを介して、主体金具５０の棚部５６の後端側の縮内径部５６Ａに接触する。これによって、第１部材１０Ａの外周面と、主体金具５０の内周面との間は、第１パッキン８Ａによって封止され、キャビティＣＶ内の高温のガスが、主体金具５０と第１部材１０Ａとの隙間から外部に漏れることが防止される。また、金属製の第１パッキン８Ａは、熱伝導率が、絶縁体１０（第１部材１０Ａや第２部材１０Ｂ）より高く、後述するように、絶縁体１０の熱を主体金具５０に逃がす役割を果たす。なお、第１パッキン８Ａの軸線方向の位置は、主体金具５０の取付ネジ部５２において、外周面にネジが形成されている軸線方向の範囲ＲＧ内である。

第１部材１０Ａの脚長部１３Ａは、第１部材１０Ａの最も先端側の部分であり、内部には、上述した小径孔１２３Ａが形成されている。脚長部１３Ａは、等径の後端部１３１Ａと、後端部１３１Ａより先端側に位置し、後端側から先端側に向かって外径が縮径する先端部１３２Ａと、を備えている。第１部材１０Ａの先端、すなわち、脚長部１３Ａの先端部１３２Ａの先端は、中心電極２０の放電面２６Ｓより後端側に位置している。

第２部材１０Ｂの内部には、上述した貫通孔１２Ｂが形成されている。貫通孔１２Ｂには、上述したように、第１部材１０Ａの脚長部１３Ａが内挿されている。第２部材１０Ｂは、第２後端等径部１３Ｂと、第２後端等径部１３Ｂより先端側の第２先端等径部１５Ｂと、第２後端等径部１３Ｂと第２先端等径部１５Ｂとの間に位置する中間拡外径部１４Ｂと、第２先端等径部１５Ｂより先端側の先端縮径部１６Ｂと、を備えている。第２先端等径部１５Ｂの外径は、第２後端等径部１３Ｂの外径より大きい。中間拡外径部１４Ｂの外径は、後端側から先端側に向かって拡径している。先端縮径部１６Ｂでは、外径および内径が、後端側から先端側に向かって縮径している。第２部材１０Ｂの先端（先端縮径部１６Ｂの先端）は、中心電極２０の放電面２６Ｓより先端側に位置している。

先端金具６０は、軸線ＣＯが通る部分に開口６３を有する略円環形状を有しており、外縁部６１と、内縁部６２と、を備えている。外縁部６１の後端には、後端側に延出した延出部６４が形成されている。延出部６４は、主体金具５０の先端部５０Ｓに、嵌合されている。先端金具６０の延出部６４と、主体金具５０の先端部５０Ｓとは、レーザ溶接によって接合されている。これによって、先端金具６０は、主体金具５０の先端側に固定されている。このために、図２に示すように、延出部６４と先端部５０Ｓとを跨ぐ溶接部ＷＤが形成されている。内縁部６２は、主体金具５０の内周面より径方向の内側に延出しており、先端縮径部１６Ｂの先端側の一部を覆っている。

第２部材１０Ｂの中間拡外径部１４Ｂと、主体金具５０の棚部５６の拡内径部５６Ｂと、の間には、金属製の環状の板パッキンである第２パッキン８Ｂが配置されている。また、先端金具６０の外縁部６１と、第２部材１０Ｂの第２先端等径部１５Ｂと、の間には、環状の板パッキンである第３パッキン８Ｃが配置されている。製造時において、先端金具６０は、第３パッキン８Ｃを介して、第２部材１０Ｂを後端方向Ｄ２に押圧した状態で、主体金具５０の先端部５０Ｓに接合される。このように、先端金具６０は、第３パッキン８Ｃを介して、第２部材１０Ｂを先端側から後端側に向かって支持している。この結果、第２部材１０Ｂは、第２パッキン８Ｂを介して、主体金具５０の棚部５６の先端側の拡内径部５６Ｂに接触する。これによって、第２部材１０Ｂの外周面と、主体金具５０の内周面との間は、第２パッキン８Ｂによって封止され、キャビティＣＶ内の高温のガスが、主体金具５０と第２部材１０Ｂとの隙間から外部に漏れることが防止される。また、金属製の第２パッキン８Ｂは、熱伝導率が、絶縁体１０（第１部材１０Ａや第２部材１０Ｂ）より高く、第１パッキン８Ａと同様に、絶縁体１０の熱を主体金具５０に逃がす役割を果たす。なお、第２パッキン８Ｂの軸線方向の位置は、第１パッキン８Ａと同様に、取付ネジ部５２において外周面にネジが形成されている軸線方向の範囲ＲＧ内である。

接地電極３０は、略円径の板部材であり、第２部材１０Ｂの貫通孔１２Ｂの先端側を覆っている。接地電極３０の軸線ＣＯと交差する部分には、連通孔３１（以下、オリフィス３１とも呼ぶ）が形成されている。接地電極３０の外縁部分は、先端金具６０の内縁部６２の径方向内側の端に、例えば、レーザ溶接によって接合されている。接地電極３０には、オリフィス３１が形成されているので、接地電極３０をオリフィス電極とも呼ぶ。

脚長部１３Ａの先端部分と、第２部材１０Ｂの先端部分と、中心電極２０の表面と、接地電極３０の内面（後端側の面）と、によって、キャビティＣＶが形成されている。具体的には、例えば、脚長部１３Ａの先端部１３２Ａの内周面および外周面は、キャビティＣＶの一部を形成している。また、例えば、先端縮径部１６Ｂおよび第２先端等径部１５Ｂの内周面は、キャビティＣＶの一部を形成している。また、中心電極２０の放電面２６Ｓおよび放電部２６の外周面は、キャビティＣＶの一部を形成している。放電面２６Ｓと接地電極３０との間の火花ギャップは、キャビティＣＶ内に位置している。

Ａ−３．プラズマジェットプラグ１００の動作：
図３は、点火装置５００の概略構成を示すブロック図である。プラズマジェットプラグ１００は、図３に一例を示す点火装置５００に接続され、点火装置５００から電力の供給を受けることにより、内燃機関の燃焼室内の混合気への点火を行う。

点火装置５００は、例えば、自動車のＥＣＵ（電子制御回路）からの指示に従ってプラズマジェットプラグ１００に電力を供給する。点火装置５００は、火花放電回路部５４０、プラズマ放電回路部５６０、制御回路部５３０、５５０、および逆流防止用の２つのダイオード５４５、５６５が設けられている。

火花放電回路部５４０は、プラズマジェットプラグ１００の中心電極２０と接地電極３０の火花ギャップに、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ための電源回路である。火花放電回路部５４０は、ＥＣＵに接続された制御回路部５３０によって制御される。火花放電回路部５４０は、ダイオード５４５を介し、電力供給先となるプラズマジェットプラグ１００の中心電極２０に電気的に接続されている。

また、プラズマ放電回路部５６０は、火花放電回路部５４０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ギャップに高エネルギーを供給するための電源回路である。プラズマ放電回路部５６０は、上記同様、ＥＣＵに接続された制御回路部５５０によって制御される。プラズマ放電回路部５６０も同様に、逆流防止用のダイオード５６５を介し、プラズマジェットプラグ１００の中心電極２０に接続されている。なお、プラズマジェットプラグ１００の接地電極３０は、主体金具５０を介し、接地されている。

プラズマ放電回路部５６０は、電気エネルギーを蓄えておくコンデンサ５６２と、コンデンサ５６２を充電するための高電圧発生回路５６１と、を備えている。コンデンサ５６２は、一端が接地され、他端が、高電圧発生回路５６１と、上記ダイオード５６５を介して中心電極２０に接続されている。ここで、１回のプラズマ噴出を行うため、火花ギャップに供給されるエネルギー量ＥＧ（単位は、ｍＪ）は、トリガー放電によるエネルギーの供給量と、コンデンサ５６２からのエネルギーの供給量との和である。コンデンサ５６２の静電容量は、エネルギー量ＥＧが、規定量となるように調整されている。なお、プラズマジェットプラグ１００は、例えば、プラズマ放電回路部５６０を備えていないタイプの点火装置、すなわち、トリガー放電によるエネルギーのみを供給するタイプの点火装置でも駆動することができるが、図３に示すような点火装置５００を用いることによって、より高エネルギーのプラズマを生成することができる。

点火装置５００によって高電圧が供給されることによって、プラズマジェットプラグ１００の火花ギャップに火花放電が生じると、点火装置５００から供給される火花放電のエネルギーによって、図２に示すキャビティＣＶ内の気体が励起されて、キャビティＣＶ内にプラズマが形成される。キャビティＣＶ内に形成されたプラズマが膨張し、キャビティＣＶ内の圧力が高まると、キャビティＣＶ内のプラズマは、火柱状に、接地電極３０に形成されたオリフィス３１から噴出される。噴出された火柱状のプラズマをプラズマとも呼ぶ。噴出されたプラズマによって、内燃機関の燃焼室内の混合気が着火される。

以上説明した本実施形態のプラズマジェットプラグ１００によれば、絶縁体１０は、第１部材１０Ａと第２部材１０Ｂとを備え、第１部材１０Ａの先端部分と、第２部材１０Ｂの先端部分と、中心電極２０の表面と、接地電極３０（オリフィス電極）の内面と、によってキャビティが形成される。この結果、キャビティＣＶを形成する絶縁体１０の表面の形状を複雑化することができる。このために、キャビティＣＶの容量を過度に大きくすることなく、絶縁体１０の表面に沿って火花が放電する経路（以下、沿面経路）を長くすることができる。この結果、プラズマの噴出量を低下させることなく、沿面放電の発生を抑制できるので、プラズマジェットプラグ１００の耐久性能と着火性能とを両立することができる。

プラズマジェットプラグ１００の中心電極２０と接地電極３０との間で生じる火花放電の放電経路には、気中経路ＲＴ１と、沿面経路ＲＴ２と、の２種類の経路が考えられる。図２に示すように、気中経路ＲＴ１は、中心電極２０から接地電極３０までの間の空間を通る放電経路である。図２に示すように、沿面経路ＲＴ２は、絶縁体１０（第１部材１０Ａおよび第２部材１０Ｂ）の表面に沿った経路である。例えば、図２の沿面経路ＲＴ２は、先端部１３２Ａの表面を通り、第２部材１０Ｂ（第２先端等径部１５Ｂおよび先端縮径部１６Ｂ）の内周面を通り、接地電極３０に至る経路である。

気中経路のみを通る火花放電を気中放電とも呼ぶ。沿面経路を含む経路を通る火花放電を沿面放電とも呼ぶ。沿面放電よりも気中放電が好ましい。沿面放電が発生すると、火花のエネルギーによって、絶縁体１０が損傷を受けるからである。例えば、絶縁体１０に傷や、チャンネリングと呼ばれる溝状の削れなどが発生し得る。この結果、プラズマジェットプラグ１００の耐久性能が低下し得る。

また、オリフィス３１から噴出されるプラズマの噴出量が低下すると、燃焼室内の混合気に着火するためのエネルギーが低下するために、プラズマジェットプラグ１００の着火性能が低下する。プラズマの噴出量の低下は、例えば、キャビティＣＶの容積が過度に大きい場合に引き起こされる。

例えば、第２先端等径部１５Ｂや先端縮径部１６Ｂの径方向の内側に、先端部１３２Ａが存在するような絶縁体１０の先端部分の形状を、２個の部材を接合することなく、１個の部材で作製することは困難である。一般的に、絶縁体を形成するセラミックスは、例えば、鉄などの金属と比較して、延性が低く、脆性が高い。このために、絶縁体を形成するセラミックスは、例えば、鉄などの金属と比較して、塑性加工や切削加工の加工性が低いためである。本実施形態の絶縁体１０は、別々に作製された第１部材１０Ａと第２部材１０Ｂとを接合することによって作製されているので、キャビティＣＶの一部を形成する先端部分の形状を複雑にすることができる。

この結果、本実施形態では、キャビティＣＶの形状を複雑にできるので、キャビティＣＶの形状が単純である場合と比較して、キャビティＣＶの容積を大きくすることなく、沿面経路ＲＴ２の経路長を長くすることができる。したがって、プラズマの噴出量を低下させることなく、沿面放電の発生を抑制して、プラズマジェットプラグ１００の耐久性能と着火性能とを両立することができる。

さらに、本実施形態では、第１パッキン８Ａは、第１部材１０Ａの外面（具体的には、中間縮外径部１７２Ａの縮外径面）と接触するとともに、主体金具５０の内面（具体的には、縮内径部５６Ａの縮内径面）と接触している。また、第２パッキン８Ｂは、第２部材１０Ｂの外面（具体的には、中間拡外径部１４Ｂの拡外径面）と接触するとともに、主体金具５０の内面（具体的には、拡内径部５６Ｂの拡内径面）と接触している。換言すれば、第１部材１０Ａは、第１パッキン８Ａを介して、主体金具５０と接触しているとともに、第２部材１０Ｂは、第２パッキン８Ｂを介して、主体金具５０と接触している。そして、第１パッキン８Ａの軸線方向の位置は、主体金具５０においてネジが形成されている軸線方向の範囲ＲＧ内である。この結果、絶縁体１０の熱引き性能を向上することができる。この結果、プレイグニッションの発生を抑制することができる。以上のように、本実施形態のプラズマジェットプラグは、着火性能と耐久性能と熱引き性能との全てを満たすことができる。

本実施形態では、キャビティＣＶ内に、燃焼ガスや火花放電、プラズマ生成によって、第１部材１０Ａの先端（先端部１３２Ａの先端）近傍や、第２部材１０Ｂの先端（先端縮径部１６Ｂの先端）近傍が加熱される。第１部材１０Ａの先端の熱は、図２に矢印ＡＲ１で示すように、第１パッキン８Ａを介して、主体金具５０に伝えられる。また、第２部材１０Ｂの先端の熱は、図２に矢印ＡＲ２で示すように、第２パッキン８Ｂを介して、主体金具５０に伝えられる。また、第１パッキン８Ａの軸線方向の位置は、ネジが形成されている軸線方向の範囲ＲＧ（図２）内であるので、第１パッキン８Ａを介して、第１部材１０Ａから主体金具５０へと伝えられた熱は、ネジを介して、内燃機関の外壁（例えば、エンジンヘッド）へと伝えられ易くなる。以上より、第１部材１０Ａおよび第２部材１０Ｂの先端近傍の熱を主体金具５０に効率的に逃がすことができ、ひいては、熱をエンジンヘッドに効率的に逃がすことができる。この結果、絶縁体１０の熱引き性能が向上することができる。

図４は、比較形態のプラズマジェットプラグの先端近傍の断面図である。比較形態のプラズマジェットプラグ１００は、実施形態と同様に、絶縁体は、第１部材１０ＡＸと、第２部材１０ＢＸとによって構成されている。そして、第１部材１０ＡＸは、先端側胴部１７ＡＸと脚長部１３ＡＸとを備える。第２部材１０ＢＸは、後端等径部１３ＢＸと、中間縮外径部１４ＢＸと、先端等径部１５ＢＸと、先端縮径部１６ＢＸと、を備えている。そして、第１部材１０ＡＸの脚長部１３ＡＸは、第２部材１０ＢＸの貫通孔１２Ｘに挿入されている。そして、第２部材１０ＢＸの中間縮外径部１４ＢＸの外面と、主体金具５０Ｘ（取付ネジ部５２Ｘ）に形成された縮内径部５６Ｘの内面と、の間に、パッキン８Ｘが挟まれている。中心電極２０Ｘ、導電性シール４Ｘ、接地電極３０Ｘの構成は、実施形態のプラズマジェットプラグ１００とほぼ同様であるので、説明を省略する。

比較形態のプラズマジェットプラグでは、第２部材１０ＢＸは、パッキン８Ｘを介して主体金具５０と接触しているが、第１部材１０ＡＸは、パッキンを介して、主体金具５０と接触していない。このために、比較形態のプラズマジェットプラグでは、第２部材１０ＢＸの先端（先端縮径部１６ＢＸの先端）の熱は、図４に矢印ＡＲ６で示すように、パッキン８Ｘを介して、主体金具５０Ｘに逃がされる。さらに、比較形態では、実施形態とは異なり、第１部材１０ＡＸの先端（脚長部１３ＡＸの先端）の熱は、図４に矢印ＡＲ４、ＡＲ５で示すように、第２部材１０Ｂに伝えられた後に、矢印ＡＲ６で示すように、パッキン８Ｘを介して、主体金具５０Ｘに逃がされる。このように、比較形態では、第２部材１０ＢＸと、第１部材１０ＡＸと、の熱の両方が、パッキン８Ｘを介して、主体金具５０Ｘに逃がされるために、実施形態と比較して効率良く熱を逃がすことができないことが解る。特に、第１部材１０ＡＸの熱は、矢印ＡＲ４、ＡＲ５に示すように、第１部材１０ＡＸと第２部材１０ＢＸとの境界を介して、逃がされるが、第１部材１０ＡＸと第２部材１０ＢＸとの境界は、隙間や接触抵抗が高い部位を含むために、熱伝導率が低い。このために、比較形態では、特に、第１部材１０ＡＸの熱を効率良く主体金具５０に逃がすことができないために、熱引き性能が低下する。図２の実施形態では、このような不都合を解消して、プラズマジェットプラグ１００の熱引き性能を向上することができ、ひいては、プレイグニッションの発生を抑制することができる。

さらに、本実施形態のプラズマジェットプラグ１００は、主体金具５０の先端側に固定されるとともに、第２部材１０Ｂを先端側から後端側に向かって支持する先端金具６０を備えている。この結果、先端金具６０によって、第２部材１０Ｂを先端側から後端側に向かって支持できるので、第１部材１０Ａを、第１パッキン８Ａを介して、主体金具５０と接触させるとともに、第２部材１０Ｂを、第２パッキン８Ｂを介して、主体金具５０と接触させる構造を容易に実現できる。

さらに、本実施形態では、第２パッキン８Ｂの軸線方向の位置は、第１パッキン８Ａと同様に、主体金具５０の外周面にネジが形成されている軸線方向の範囲ＲＧ内である（図２）。この結果、第２パッキン８Ｂを介して、第２部材１０Ｂから主体金具５０へと伝えられた熱は、ネジを介して、内燃機関の外壁（例えば、エンジンヘッド）へと伝えられ易くなる。この結果、第２部材１０Ｂの熱引き性能を、さらに、向上することができる。

さらに、本実施形態では、主体金具５０は、内周面から径方向の内側に向かって突出する棚部５６を備えている。そして、第１部材１０Ａは、第１パッキン８Ａを介して、棚部５６の後端側に接触し、第２部材１０Ｂは、第２パッキン８Ｂを介して、棚部５６の先端側に接触している。この結果、第１部材１０Ａを、第１パッキン８Ａを介して、主体金具５０と接触させるとともに、第２部材１０Ｂを、第２パッキン８Ｂを介して、主体金具５０と接触させる構造を容易に実現できる。

Ｂ．変形例
例えば、図２に示すプラズマジェットプラグ１００の先端部の具体的構成は、一例であり、様々な変形が可能である。

（１）例えば、第３パッキン８Ｃは、省略可能であり、先端金具６０が直接に第２部材１０Ｂと接触していても良い。第３パッキン８Ｃが省略されても、先端金具６０によって第２部材１０Ｂを先端側から後端側に向かって支持することによって、第２部材１０Ｂを第２パッキン８Ｂを介して主体金具５０に接触させることは十分に可能である。

（２）先端金具６０の延出部６４および主体金具５０の先端部５０Ｓが省略されて、先端金具６０の外縁部６１の後端面と、主体金具５０の先端面と、を接触させても良い。そして、先端金具６０の外縁部６１に対して、先端側からレーザを照射することによって、先端金具６０と主体金具５０とが接合されても良い。

（３）脚長部１３Ａの先端部１３２Ａの肉厚は、より薄くても良いし、先端部１３２Ａの外径は縮径していなくても良い。ただし、先端部１３２Ａの肉厚は、厚いほど、過度に加熱されることを抑制できるので、よりプレイグニッションを抑制できる。また、先端部１３２Ａの外径が縮径することによって、後端側ほど肉厚を厚くする方が、先端部１３２Ａの熱を後端側に移動させ易いために、より熱引き性能を向上できる。

（４）第２パッキン８Ｂの軸線方向の位置は、ネジが形成されている軸線方向の範囲ＲＧより先端側であっても良い。

（５）第１部材１０Ａを第１パッキン８Ａを介して主体金具５０に接触させ、第２部材１０Ｂを第２パッキン８Ｂを介して主体金具５０に接触させる図２の構造は、一例であり、他の構造が採用されても良い。例えば、図示は省略するが、主体金具５０の内周面に、第１棚部と、第１棚部より先端側の第２棚部を形成しても良い。この場合には、例えば、第１棚部の後端側と、第１部材１０Ａの中間縮外径部１７２Ａと、の間に、第１パッキン８Ａが配置されても良い。そして、第２棚部の後端側と、第２部材１０Ｂの第２先端等径部１５Ｂの先端面との間に、第２パッキン８Ｂが配置されても良い。

（６）プラズマジェットプラグ１００の発火部の構成としては、上記実施形態の構成に代えて、他の種々の構成を採用可能である。例えば、接地電極３０には、複数個のオリフィス３１が設けられても良い。また、中心電極２０の放電部２６の先端には、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｗや、これらの金属を主成分とする合金で形成されたチップが接合されていても良い。

以上、実施形態、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した本発明の実施形態、変形例は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。

４...導電性シール、５...ガスケット、６、７...線パッキン、８Ａ...第１パッキン、８Ｂ...第２パッキン、８Ｃ...第３パッキン、９...タルク、１０...絶縁体、１０Ａ...第１部材、１０Ｂ...第２部材、１２Ａ...軸孔、１２Ｂ...貫通孔、１３Ａ...脚長部、１３Ｂ...第２後端等径部、１４Ｂ...中間拡外径部、１５Ｂ...第２先端等径部、１６Ｂ...先端縮径部、１７Ａ...先端側胴部、１８Ａ...後端側胴部、１９Ａ...鍔部、２０...中心電極、２３...頭部、２４...鍔部、２５...脚部、２６...放電部、２６Ｓ...放電面、３０...接地電極、３１...オリフィス、４０...端子金具、４１...キャップ装着部、４２...鍔部、４３...脚部、５０...主体金具、５０Ｓ...先端部、５１...工具係合部、５２...取付ネジ部、５３...加締部、５４...座部、５６...棚部、５６Ａ...縮内径部、５６Ｂ...拡内径部、５８...圧縮変形部、５９...挿通孔、６０...先端金具、６１...外縁部、６２...内縁部、６３...開口、６４...延出部、１００...プラズマジェットプラグ、１２１Ａ...大径孔、１２２Ａ...縮径孔、１２３Ａ...小径孔、１３１Ａ...後端部、１３２Ａ...先端部、１７１Ａ...第１後端等径部、１７２Ａ...中間縮外径部、１７３Ａ...第１先端等径部、５００...点火装置、５３０...制御回路部、５４０...火花放電回路部、５４５...ダイオード、５５０...制御回路部、５６０...プラズマ放電回路部、５６１...高電圧発生回路、５６２...コンデンサ、５６５...ダイオード、ＲＧ...範囲、ＣＯ...軸線、ＣＶ...キャビティ、ＲＴ１...気中経路、ＲＴ２...沿面経路

Claims (4)

1. 軸線方向に延びる棒状の中心電極と、
   前記軸線方向に延び、先端側に前記中心電極が配置された軸孔を有する筒状の絶縁体と、
   前記絶縁体の外周に配置され、外周面にネジが形成された主体金具と、
   前記主体金具に電気的に接続され、前記絶縁体の先端側に配置されたオリフィス電極と、
   を備えるプラズマジェットプラグであって、
   前記絶縁体は、
   大径部と、前記大径部よりも小さな外径を有し前記大径部より先端側に配置された小径部と、を備え、前記軸孔を有する第１部材と、
   前記軸線方向に延び、後端側に前記小径部が内挿された貫通孔を有する第２部材と、
   を備え、
   前記第１部材の先端部分と、前記第２部材の先端部分と、前記中心電極の表面と、前記オリフィス電極の内面と、によってキャビティが形成され、
   前記プラズマジェットプラグは、さらに、
   前記第１部材の外面と接触するとともに、前記主体金具の内面と接触する第１パッキンと、
   前記第２部材の外面と接触するとともに、前記主体金具の内面と接触する第２パッキンと、
   を備え、
   前記第１パッキンの前記軸線方向の位置は、前記主体金具の外周面に前記ネジが形成されている前記軸線方向の範囲内であることを特徴とする、プラズマジェットプラグ。
2. 請求項１に記載のプラズマジェットプラグであって、さらに、
   前記主体金具の先端側に固定されるとともに、前記第２部材を先端側から後端側に向かって支持する先端金具を備えることを特徴とする、プラズマジェットプラグ。
3. 請求項１または２に記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記第２パッキンの前記軸線方向の位置は、前記主体金具の外周面に前記ネジが形成されている前記軸線方向の範囲内であることを特徴とする、プラズマジェットプラグ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記主体金具は、内周面から径方向の内側に向かって突出する棚部を備え、
   前記第１部材は、前記第１パッキンを介して、前記棚部の後端側に接触し、
   前記第２部材は、前記第２パッキンを介して、前記棚部の先端側に接触する、プラズマジェットプラグ。

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