WO2011158830A1 - プラズマジェット点火プラグ - Google Patents

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WO2011158830A1
WO2011158830A1 PCT/JP2011/063593 JP2011063593W WO2011158830A1 WO 2011158830 A1 WO2011158830 A1 WO 2011158830A1 JP 2011063593 W JP2011063593 W JP 2011063593W WO 2011158830 A1 WO2011158830 A1 WO 2011158830A1
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WO
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insulator
tip
center electrode
cavity
ignition plug
Prior art date
Application number
PCT/JP2011/063593
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English (en)
French (fr)
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裕之 亀田
大輔 笠原
中野 悌丞
直史 山村
佐藤 美邦
Original Assignee
日本特殊陶業株式会社
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Publication date
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Priority to EP11795735.7A priority patent/EP2584662B1/en
Priority to JP2012520457A priority patent/JP5486681B2/ja
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    • HELECTRICITY
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    • H01TSPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00Sparking plugs
    • H01T13/54Sparking plugs having electrodes arranged in a partly-enclosed ignition chamber
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02PIGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P3/00Other installations
    • F02P3/01Electric spark ignition installations without subsequent energy storage, i.e. energy supplied by an electrical oscillator
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02PIGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P9/00Electric spark ignition control, not otherwise provided for
    • F02P9/002Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression
    • F02P9/007Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression by supplementary electrical discharge in the pre-ionised electrode interspace of the sparking plug, e.g. plasma jet ignition
    • HELECTRICITY
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    • H01T13/20Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • HELECTRICITY
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    • H01T13/20Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/39Selection of materials for electrodes
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    • H01T13/00Sparking plugs
    • H01T13/52Sparking plugs characterised by a discharge along a surface

Definitions

  • the present invention relates to a plasma jet ignition plug that forms plasma and ignites an air-fuel mixture.
  • a plasma jet ignition plug has a cylindrical insulator having a shaft hole, a center electrode inserted into the shaft hole in a state where the tip surface is submerged than the tip surface of the insulator, and an outer periphery of the insulator.
  • the metal shell is disposed, and an annular ground electrode joined to the tip of the metal shell.
  • the plasma jet ignition plug has a space (cavity portion) formed by the front end surface of the center electrode and the inner peripheral surface of the shaft hole, and the cavity portion passes through a through hole formed in the ground electrode. It is designed to communicate with the outside.
  • the air-fuel mixture is ignited as follows. First, a voltage is applied between the center electrode and the ground electrode, and a spark discharge is generated between the two to cause dielectric breakdown between the two. Then, a high energy current is passed between them to change the discharge state, thereby generating plasma inside the cavity portion. Then, the generated plasma is ejected from the opening of the cavity portion, so that the air-fuel mixture is ignited.
  • spark discharge occurs over the inner peripheral surface of the insulator between the center electrode and the ground electrode, a phenomenon in which the insulator located on the spark discharge path is scraped by the spark discharge (so-called channeling).
  • spark discharge occurs in a direction substantially along the axis between the center electrode and the ground electrode.
  • the step portion (inside the insulator) (Circumferential surface) and the direction of the spark discharge are almost perpendicular to each other. Therefore, spark discharge occurs in a state where the spark discharge is excessively pressed against the inner peripheral surface (step portion) of the insulator, and there is a possibility that channeling rapidly develops at the step portion.
  • the plasma ejection pressure decreases, which may lead to a decrease in ignitability.
  • the inner peripheral surface of an insulator orthogonally crosses with the direction of a spark discharge. Can be prevented.
  • the portion of the inner peripheral surface of the insulator closest to the tip corner of the center electrode (the portion located between the tip surface and the side surface of the center electrode) is reduced in diameter. This is a bent portion located at the rear end of the portion. Therefore, the spark discharge is likely to occur with a portion having a high electric field strength as a base point.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to maintain excellent ignitability over a long period of time by suppressing rapid progress of channeling while improving ignitability. It is an object of the present invention to provide a plasma jet spark plug that can be used.
  • the plasma jet ignition plug of this configuration includes an insulator having an axial hole extending in the axial direction; A center electrode inserted into the shaft hole such that a tip surface is located on the rear end side in the axial direction with respect to the tip of the insulator; A metal shell disposed on the outer periphery of the insulator; A ground electrode fixed to the tip of the metal shell, A plasma jet ignition plug having a cavity formed by an inner peripheral surface of the shaft hole and a tip surface of the center electrode,
  • the shaft hole is A first straight portion extending from the distal end surface of the center electrode toward the distal end side in the axial direction and having the same inner diameter; A diameter-reducing portion that decreases in diameter from the tip end of the first straight portion toward the tip end side in the axial direction; With In a cross section including the axis, when an acute angle among the angles formed by a straight line orthogonal to the axis and the outline of the reduced diameter portion is ⁇ (°), ⁇ ⁇ 10 It is characterized by satisfying.
  • the same inner diameter is intended to include not only those whose inner diameter is strictly constant along the axial direction but also those whose inner diameter varies slightly along the axial direction. Therefore, for example, the inner peripheral surface may be configured to be slightly inclined (for example, up to ⁇ 5 °) with respect to the axis (hereinafter the same).
  • the shaft hole is provided with the reduced diameter portion that reduces the diameter toward the distal end side in the axial direction. Therefore, it is possible to increase the plasma ejection pressure toward the opening side (axial tip side) of the cavity portion, and to increase the plasma ejection length from the cavity portion opening. As a result, ignitability can be improved.
  • the angle ⁇ formed between the straight line orthogonal to the axis and the outline of the reduced diameter portion is The reduced diameter portion is formed to extend along the direction of spark discharge as much as possible without being in a state orthogonal to the direction of spark discharge. Therefore, it is possible to more reliably suppress a situation in which spark discharge occurs in a state where the spark discharge is excessively pressed against the reduced diameter portion, and it is possible to more reliably prevent rapid progress of channeling.
  • the first straight portion is provided between the distal end surface of the center electrode and the reduced diameter portion, and a bent portion formed between the first straight portion and the reduced diameter portion; It is comprised so that the front end surface of a center electrode may space apart in an axial direction. Therefore, it is possible to more effectively prevent a situation in which spark discharge is intensively generated in the path passing through the bent portion, and the spark discharge path can be more dispersed. As a result, in combination with the angle ⁇ being 10 ° or more, rapid progress of channeling can be extremely effectively prevented.
  • the first straight portion is provided while the angle ⁇ is set to 10 ° or more, so that the demerit of rapid progress of channeling associated with the provision of the reduced diameter portion is effectively achieved. This can be eliminated, and the merit of improving the ignitability by providing the reduced diameter portion can be maintained over a long period of time.
  • the angle ⁇ is 45 ° or less, the volume of the portion where the outer periphery is formed by the reduced diameter portion and the first straight portion (first cavity portion) in the cavity portion is sufficiently small. Can be. Therefore, the spread of the plasma in the radial direction can be suppressed in the first cavity portion, and the plasma ejection speed along the axial direction can be further increased. As a result, the plasma ejection length from the opening of the cavity can be further increased, and the ignitability can be further improved.
  • the plasma jet ignition plug of this configuration is characterized in that, in the above configuration 1 or 2, the length of the first straight portion along the axis is 0.5 mm or less.
  • the length of the first straight portion along the axis is relatively small, 0.5 mm or less. It is possible to effectively reduce the collision energy of charges against the diameter portion. As a result, channeling can be more reliably suppressed and excellent ignitability can be maintained for a longer period of time.
  • the plasma jet ignition plug of this configuration is the inner periphery of the insulator between the imaginary plane orthogonal to the axial direction including the tip of the center electrode and the opening of the cavity part in any one of the above configurations 1 to 3.
  • the shortest surface distance is set to 1.0 mm or more.
  • the abrasion powder adheres to the inner peripheral surface of the insulator, and the insulation resistance between the center electrode and the ground electrode can be lowered.
  • the insulation resistance between the center electrode and the ground electrode becomes excessively small, current leakage is likely to occur between the two, and there is a risk that spark discharge and thus plasma generation may be hindered. There is.
  • the shortest distance of the inner peripheral surface of the insulator between the virtual plane perpendicular to the axis including the tip of the center electrode and the opening of the cavity portion is sufficiently large as 1.0 mm or more. It is secured. Therefore, even if some abrasion powder adheres to the inner peripheral surface of the insulator, sufficient insulation performance can be maintained between the center electrode and the ground electrode. As a result, current leakage can be prevented more reliably, and as a result, the operational effects of the configuration 1 and the like can be more reliably exhibited.
  • the ground electrode is in contact with the tip surface of the insulator,
  • the shortest distance of the inner peripheral surface of the insulator between the virtual plane perpendicular to the axial direction including the tip of the center electrode and the ground electrode is 2.5 mm or less.
  • the shortest distance along the inner peripheral surface of the insulator between the virtual plane and the ground electrode is 2.5 mm or less. Accordingly, the initial discharge voltage can be suppressed to a relatively low level, and the abnormal discharge and the progress of channeling accompanying the increase in the discharge voltage can be more effectively prevented.
  • the shaft hole extends from the tip of the reduced diameter portion to the opening of the cavity portion, and has a second straight portion having the same inner diameter.
  • the volume of the first cavity part, the outer periphery of which is formed by the first straight part and the reduced diameter part, is V1 (mm 3 )
  • V2 (mm 3 ) When the volume of the second cavity part having the outer periphery formed by the second straight part is V2 (mm 3 ), 0.2 ⁇ V2 / V1 ⁇ 3.0 It is characterized by satisfying.
  • the volume V1 of the first cavity portion and the volume V2 of the second cavity portion are configured to satisfy 0.2 ⁇ V2 / V1 ⁇ 3.0. That is, by satisfying 0.2 ⁇ V2 / V1, the volume of the second cavity portion is secured to some extent while the volume of the first cavity portion is relatively small. That is, when the volume V1 of the first cavity part is excessively large, there is a concern that the jet pressure for jetting the plasma generated in the second cavity part from the opening of the cavity part may decrease.
  • the first cavity portion can be filled with the plasma generated in the first cavity portion, and the plasma ejection pressure can be made sufficiently large.
  • the second cavity portion is configured so as to satisfy V2 / V1 ⁇ 3.0 without excessively increasing the volume V2 of the second cavity portion relative to the volume V1 of the first cavity portion. It is possible to more reliably prevent a situation where plasma is generated excessively and the plasma cannot be sufficiently ejected by the ejection pressure generated in the first cavity, and the amount of plasma ejected from the cavity opening can be improved. .
  • the ground electrode is plate-shaped and has a through-hole penetrating in the plate thickness direction,
  • the projection line on the inner periphery of the ground electrode is located between the projection line of the opening of the insulator and the projection line of the outer periphery of the tip end surface of the center electrode.
  • the opening of the cavity portion is configured without being covered with the ground electrode. Accordingly, it is possible to more reliably prevent plasma ejection from being obstructed by the ground electrode and more reliably preventing the heat of the plasma from being drawn by the ground electrode. As a result, plasma growth can be promoted, and ignitability can be further improved.
  • spark discharge occurs between the outer periphery of the tip surface of the center electrode and the through hole of the ground electrode so as to wrap around the opening of the cavity. Become. That is, the spark discharge is generated in a path that is pulled by the ground electrode, and as a result, there is a possibility that the suppression of the spark discharge against the inner peripheral surface of the insulator becomes stronger.
  • the region where the through hole of the ground electrode is projected is located on the inner side of the region where the center electrode is projected in the virtual plane, which is the base point of the spark discharge.
  • the through hole of the ground electrode is located on the inner peripheral side with respect to the outer periphery of the front end surface of the center electrode. That is, when a spark discharge occurs on a straight line connecting the outer periphery of the front end surface of the center electrode and the through hole of the ground electrode, the above-described configuration 7 is used to suppress the spark discharge to the inner peripheral surface of the insulator. According to this, the spark discharge is generated in a path closer to the straight line. Accordingly, it is possible to effectively weaken the suppression of the spark discharge against the inner peripheral surface of the insulator, and thereby more reliably suppress the channeling.
  • a portion of the center electrode from the tip to 0.3 mm from the axial direction rear end side is tungsten (W), iridium ( It is characterized by being made of a metal containing at least one of Ir), platinum (Pt), and nickel (Ni).
  • the tip of the center electrode is formed of a metal containing at least one of W, Ir, and the like. Therefore, the wear resistance of the center electrode with respect to spark discharge or the like can be improved, and as a result, the rising speed of the discharge voltage accompanying the wear of the center electrode can be suppressed. As a result, the period during which spark discharge and thus plasma can be generated can be prolonged, and channeling can be further suppressed.
  • the plasma jet ignition plug of this configuration is characterized in that, in any one of the above configurations 1 to 8, the ground electrode is made of a metal containing at least one of W, Ir, Pt, and Ni. .
  • the ground electrode is formed of a metal containing at least one of W, Ir and the like, it is possible to improve the wear resistance of the ground electrode against spark discharge and the like. As a result, it is possible to suppress an increase in discharge voltage due to the consumption of the ground electrode, and to further improve the channeling resistance.
  • FIG. 1 It is a partially broken front view which shows the structure of a plasma jet ignition plug. It is a partial expanded sectional view which shows structures, such as a shaft hole.
  • (A) (b) is a partial expanded sectional view which shows another example of a reduced diameter part. It is a partial expanded sectional view for demonstrating shortest distance SL1, SL2 grade
  • FIG. 1 is a partially broken front view showing a plasma jet ignition plug (hereinafter referred to as “ignition plug”) 1.
  • ignition plug a plasma jet ignition plug
  • the direction of the axis CL ⁇ b> 1 of the spark plug 1 is the vertical direction in the drawing, the lower side is the front end side, and the upper side is the rear end side.
  • the spark plug 1 includes an insulator 2 as a cylindrical insulator, a cylindrical metal shell 3 that holds the insulator 2 and the like.
  • the insulator 2 is formed by firing alumina or the like, and in its outer portion, a rear end side body portion 10 formed on the rear end side, and a front end than the rear end side body portion 10.
  • a large-diameter portion 11 that protrudes radially outward on the side, a middle body portion 12 that is smaller in diameter than the large-diameter portion 11, and a tip portion that is more distal than the middle body portion 12.
  • a leg length part 13 formed with a smaller diameter than this is provided.
  • the large diameter portion 11, the middle trunk portion 12, and the leg long portion 13 are accommodated inside the metal shell 3.
  • a step portion 14 is formed at the connecting portion between the middle body portion 12 and the long leg portion 13, and the insulator 2 is locked to the metal shell 3 at the step portion 14.
  • the center electrode 5 includes an inner layer 5A made of copper, a copper alloy or the like having excellent thermal conductivity, and an outer layer made of a Ni alloy containing nickel (Ni) as a main component (for example, Inconel (trade name) 600 or 610). It is comprised from the base material 5C comprised by 5B, and electrode tip 5D joined to the front-end
  • the front end surface 5F is immersed in the rear end side with respect to the front end surface of the insulator 2.
  • a slight gap is formed between the outer peripheral surface of the tip of the center electrode 5 and the inner peripheral surface of the shaft hole 4. Yes.
  • a terminal electrode 6 is inserted and fixed on the rear end side of the shaft hole 4 in a state of protruding from the rear end of the insulator 2.
  • a cylindrical glass seal layer 9 is disposed between the center electrode 5 and the terminal electrode 6 of the shaft hole 4, and the center electrode 5 and the terminal electrode 6 are connected via the glass seal layer 9. Each is electrically connected.
  • the metal shell 3 is formed in a cylindrical shape from a metal such as low carbon steel, and a spark plug 1 is attached to the outer peripheral surface of the metal shell 3 (for example, an internal combustion engine or a fuel cell reformer).
  • a threaded portion (male threaded portion) 15 for attachment to the hole is formed.
  • a seat portion 16 is formed on the outer peripheral surface on the rear end side of the screw portion 15, and a ring-shaped gasket 18 is fitted on the screw neck 17 on the rear end of the screw portion 15.
  • a tool engaging portion 19 having a hexagonal cross section for engaging a tool such as a wrench when the metal shell 3 is attached to the combustion device is provided.
  • an annular engagement portion 21 is formed on the outer periphery of the distal end portion of the metal shell 3 so as to protrude toward the distal end side in the axis CL1 direction.
  • the ground electrode 27 is engaged.
  • a tapered step portion 22 for locking the insulator 2 is provided on the inner peripheral surface of the metal shell 3.
  • the insulator 2 is inserted from the rear end side to the front end side of the metal shell 3, and the rear end of the metal shell 3 is engaged with the step 14 of the metal shell 3. It is fixed to the metal shell 3 by caulking the opening on the side inward in the radial direction, that is, by forming the caulking portion 20.
  • An annular plate packing 23 is interposed between the step portions 14 and 22 of both the insulator 2 and the metal shell 3.
  • annular ring members 24 and 25 are interposed between the metal shell 3 and the insulator 2 on the rear end side of the metal shell 3, and the ring member 24. , 25 is filled with powder of talc (talc) 26. That is, the metal shell 3 holds the insulator 2 via the plate packing 23, the ring members 24 and 25, and the talc 26.
  • a ground electrode 27 having a disk shape is joined to the distal end portion of the metal shell 3.
  • the ground electrode 27 is joined to the metal shell 3 by welding its outer peripheral portion to the engagement portion 21 while being engaged with the engagement portion 21 of the metal shell 3.
  • the ground electrode 27 has a through hole 28 penetrating in the thickness direction in the center of the ground electrode 27, and the inside and outside of a cavity portion 29 to be described later communicate with each other through the through hole 28. ing.
  • the ground electrode 27 is joined so that the through hole 28 and the shaft hole 4 are located coaxially (that is, the center of the through hole 28 is located on the axis CL1). .
  • the ground electrode 27 is configured to be in surface contact with the distal end surface of the insulator 2.
  • a cavity portion 29 formed by the inner peripheral surface of the shaft hole 4 and the front end surface of the center electrode 5 is provided on the front end side of the insulator 2.
  • the cavity part 29 is a space having a circular cross section in a direction orthogonal to the axis line CL1, and is open toward the tip side.
  • a first straight portion 41, a second straight portion 42, and a reduced diameter portion 43 are formed in the shaft hole 4.
  • the first straight portion 41 extends from the front end surface of the center electrode 5 toward the front end side in the axis CL1 direction, and has the same inner diameter (for example, 1 mm or more and 2 mm or less).
  • the second straight portion 42 extends from the opening of the cavity portion 29 toward the rear end side in the direction of the axis CL1 and has the same inner diameter.
  • the second straight portion 42 is formed with a smaller diameter (for example, 0.5 mm or more and 1 mm or less) than the first straight portion 41.
  • the inner diameter of the first straight portion 41 and the inner diameter of the second straight portion 42 may be slightly increased or decreased along the axis CL1. Therefore, the inner peripheral surfaces of the first straight portion 41 and the second straight portion 42 may be slightly inclined (for example, within ⁇ 5 °) with respect to the axis CL1.
  • the reduced diameter portion 43 is provided between the first straight portion 41 and the second straight portion 42, and has a tapered shape that decreases in diameter toward the front end side in the direction of the axis CL1.
  • angle
  • the reduced diameter portion 43 is configured so as to satisfy.
  • the shape of the reduced diameter portion 43 is not limited to the above-described shape, and as shown in FIG. 3A, the reduced diameter portion 43 is formed so that the outline is bent in the cross section including the axis line CL1. It may be configured. Moreover, as shown in FIG.3 (b), it is good also as comprising the diameter-reduced part 43 so that an outline may make curved shape.
  • the angle ⁇ is an angle formed by a straight line connecting the tip of the first straight part 41 and the rear end of the second straight part 42 and a straight line orthogonal to the axis CL1. An acute angle.
  • the length L of the first straight portion 41 along the axis CL ⁇ b> 1 is set to a relatively small value of 0.1 mm to 0.5 mm.
  • the length of the second straight portion 42 along the axis CL1 is not less than the length L of the first straight portion 41 (for example, not less than 0.5 mm and not more than 2 mm).
  • the shortest distance SL1 along the inner peripheral surface of the insulator 2 between the virtual plane VS including the tip of the center electrode 5 and orthogonal to the direction of the axis CL1 and the opening of the cavity portion 29 is The distance is set to 1.0 mm or more, and a sufficiently large gap is formed between the center electrode 5 and the ground electrode 27.
  • the shortest distance SL2 along the inner peripheral surface of the insulator 2 between the virtual plane VS and the ground electrode 27 is set to 2.5 mm or less.
  • the first straight portion 41 and the contracted portion of the cavity portion 29 are shown.
  • the volume of the first cavity part 291 (the hatched part in FIG. 5) whose outer periphery is formed by the diameter part 43 is V1 (mm 3 ), and the outer periphery is formed by the second straight part 42 in the cavity part 29.
  • V1 mm 3
  • V2 mm 3
  • the center electrode 5, the ground electrode 27, and the cavity part 29 are each arrange
  • the electrode tip 5D constitutes a portion from the tip of the center electrode 5 to at least 0.3 mm on the rear end side in the direction of the axis CL1, and includes tungsten (W), iridium (Ir), platinum (Pt), And it is comprised with the metal containing at least 1 type among nickel (Ni).
  • the ground electrode 27 is made of a metal containing at least one of W, Ir, Pt, and Ni.
  • the shaft hole 4 is provided with the reduced diameter portion 43 that is reduced in diameter toward the tip end side in the axis line CL1 direction, and thus is directed toward the opening side of the cavity portion 29.
  • the plasma ejection pressure can be increased.
  • the plasma ejection length from the opening of the cavity portion 29 can be increased, and the ignitability can be improved.
  • the angle ⁇ is set to 10 ° or more, and the reduced diameter portion 43 is It is formed so as to be along the direction of the spark discharge as much as possible without being orthogonal to the direction of the spark discharge. Accordingly, it is possible to more reliably suppress a situation in which spark discharge occurs in a state where the spark discharge is excessively pressed against the reduced diameter portion 43, and it is possible to more reliably prevent rapid progress of channeling.
  • the first straight portion 41 is provided between the distal end surface 5F of the center electrode 5 and the reduced diameter portion 43, and is formed between the first straight portion 41 and the reduced diameter portion 43.
  • the bent portion and the front end surface 5F of the center electrode 5 are configured to be separated from each other in the direction of the axis CL1. Therefore, it is possible to more effectively prevent a situation in which spark discharge is intensively generated in the path passing through the bent portion, and the spark discharge path can be more dispersed. As a result, in combination with the angle ⁇ being 10 ° or more, rapid progress of channeling can be extremely effectively prevented.
  • the demerit of rapid progress of channeling due to the provision of the reduced diameter portion 43 is effective.
  • the merit of improving the ignitability by providing the reduced diameter portion 43 can be maintained over a long period of time.
  • the angle ⁇ is set to 45 ° or less, the volume of the first cavity portion 291 can be made sufficiently small. Therefore, the spread of the plasma in the radial direction in the first cavity portion 291 can be suppressed, and the plasma ejection speed along the direction of the axis CL1 can be further increased. As a result, the plasma ejection length from the opening of the cavity portion 29 can be further increased, and the ignitability can be further improved.
  • the length L of the first straight portion 41 along the axis CL1 is relatively small, 0.5 mm or less, and the collision energy of charges with the reduced diameter portion 43 can be effectively reduced. As a result, channeling can be more reliably suppressed and excellent ignitability can be maintained for a longer period of time.
  • the shortest distance SL1 of the inner peripheral surface of the insulator 2 between the virtual plane VS and the opening of the cavity portion 29 is sufficiently large as 1.0 mm or more. Therefore, even if some abrasion powder adheres to the inner peripheral surface of the insulator 2, sufficient insulation performance can be maintained between the center electrode 5 and the ground electrode 27. As a result, current leakage can be prevented more reliably, and as a result, the above-described effects can be more reliably exhibited.
  • the initial discharge voltage is suppressed to be relatively low. Can do. As a result, it is possible to more effectively prevent abnormal discharge and channeling due to an increase in discharge voltage.
  • volume V1 of the first cavity portion 291 and the volume V2 of the second cavity portion 292 are configured to satisfy 0.2 ⁇ V2 / V1 ⁇ 3.0. Therefore, it is possible to further increase the plasma jet power and the jet quantity, and to further improve the ignitability.
  • the tip end portion (electrode tip 5D) of the center electrode 5 and the ground electrode 27 are formed of a metal containing at least one of W, Ir and the like. Therefore, it is possible to improve the wear resistance of the center electrode 5 and the ground electrode 27 with respect to spark discharge and the like, and it is possible to suppress an increase in discharge voltage due to wear of the center electrode 5 and the like. As a result, the period during which spark discharge and thus plasma can be generated can be prolonged, and channeling can be further suppressed.
  • the outline of the ignitability evaluation test is as follows. In other words, after each sample was mounted on a 4-cylinder engine with a displacement of 2.0L, spark discharge was performed with an ignition timing of MBT (optimum ignition position), and power was supplied from a plasma power source with an output of 100 mJ to generate plasma. As a result, the engine was operated at a rotational speed of 1600 rpm. Then, while gradually increasing the air-fuel ratio (thinning the fuel), the engine torque fluctuation rate is measured for each air-fuel ratio, and the air-fuel ratio when the engine torque fluctuation rate exceeds 5% is taken as the limit air-fuel ratio. Identified. In addition, it means that it is excellent in ignitability, so that a limit air fuel ratio is large. In FIG.
  • test results of the test are indicated by circles.
  • test results of the above test in the spark plug (see FIG. 9) corresponding to the comparative example in which the cavity portion is formed in a columnar shape are indicated by triangles.
  • the outline of the durability evaluation test is as follows. First, plasma was ejected by applying power to each sample, and the plasma ejected from the side surface of the sample was imaged, and the plasma ejection area in the initial state was measured from the captured image. Then, after attaching the sample to a predetermined chamber, the pressure in the chamber is set to 0.4 MPa, the frequency of the applied voltage is set to 60 Hz (that is, at a rate of 3600 times per minute), and each sample is discharged. (At this time, only a spark discharge was generated without flowing current from the plasma power source).
  • FIG. 8 shows the test results of the test. It should be noted that the application of voltage to each sample is 2000 hours at the longest, and the sample in which the plasma ejection area measured at the stage of 2000 hours is larger than half of the plasma ejection area in the initial state is outlined in FIG. Test results.
  • the length L of the first straight portion along the axis is set to 0.1 mm, and the length of the cavity portion along the axis (from the opening of the cavity portion along the axis).
  • the distance to the tip of the center electrode) was 1.0 mm.
  • the outer diameter of the front end surface of the center electrode was 1.5 mm
  • the inner diameter of the opening of the cavity portion was 0.8 mm
  • the inner diameter of the through hole of the ground electrode was 1.0 mm.
  • the spark plug corresponding to the comparative example in which the cavity portion is formed in a columnar shape the length of the cavity portion along the axis is 1.0 mm, and the inner diameter of the cavity portion is 1.5 mm.
  • the sample provided with the reduced diameter portion has an ignitability superior to that of the spark plug corresponding to the comparative example in which the cavity portion is formed in a columnar shape. This is because by providing the reduced diameter portion, it is possible to increase the plasma ejection pressure toward the opening side (axial tip side) of the cavity portion. As a result, the plasma ejection length from the cavity portion opening can be increased. This is thought to be because it could be made larger. In particular, it was confirmed that a sample having an angle ⁇ of 45 ° or less has extremely excellent ignitability.
  • the sample with the angle ⁇ being less than 10 ° has a short durability time, and the ignitability rapidly decreases with use.
  • the spark discharge occurs in a direction substantially along the axis line between the center electrode and the ground electrode, the angle ⁇ is excessively small, and the reduced diameter portion is shaped so as to be substantially orthogonal to the spark discharge direction. This is considered to be because the suppression of the spark discharge to the reduced diameter portion is strengthened, and as a result, channeling is likely to occur.
  • the sample with an angle ⁇ of 10 ° or more can maintain excellent ignitability over a long period of time exceeding 1500 hours.
  • a sample having an angle ⁇ of 20 ° or more has a durability time of 2000 hours or more, and it has been confirmed that excellent ignitability can be maintained over an extremely long period of time.
  • the angle ⁇ is set to 5 ° or 10 °, and the first straight portion is not provided (that is, the length L of the first straight portion is 0.0 mm,
  • a spark plug sample (configured so that the bent portion formed on the rear end side of the reduced diameter portion faces the direction orthogonal to the axis), the first straight portion, and the first along the axis Spark plug samples with various changes in the length L of the straight portion were prepared, and the durability evaluation test described above was performed on each sample.
  • FIG. 11 shows the test results of the test. In FIG. 11, the test results of the sample with the angle ⁇ of 5 ° are indicated by circles, and the test results of the sample with the angle ⁇ of 10 ° are indicated by triangles. In each sample, the outer diameter of the front end surface of the center electrode, the inner diameter of the opening of the cavity portion, and the like were the same as described above.
  • the sample provided with the length L of the first straight portion is superior in durability as compared with the sample not provided with the first straight portion (the length L is set to 0.0 mm).
  • the length L is set to 0.0 mm.
  • the angle ⁇ of the reduced diameter portion is preferably 10 ° or more.
  • the angle ⁇ is more preferably 45 ° or less.
  • the length L of the first straight portion is 0.5 mm or less and the angle ⁇ is 20 ° or more. In addition, it is more preferable that the length L of the first straight portion is 0.1 mm or more from the viewpoint of improving the durability more reliably.
  • spark plug samples with various changes in the shortest distance SL1 were prepared, and an insulation evaluation test was performed on each sample.
  • the outline of the insulation evaluation test is as follows. That is, after the sample was attached to a predetermined chamber, the pressure in the chamber was set to 0.8 MPa, the frequency of the applied voltage was 60 Hz, the output of the plasma power source was 100 mJ, and plasma was generated over 5 minutes ( In other words, in each sample, the abrasion powder of the center electrode adhered to the inner peripheral surface of the insulator to some extent). Then, the resistance value between the center electrode and the ground electrode in each sample was measured.
  • a sample having a measured resistance value of 10 M ⁇ or more is evaluated as “ ⁇ ” as having sufficient insulation performance, and a sample having a measured resistance value of less than 10 M ⁇ has a slightly low insulation performance and sparks.
  • An evaluation of “x” was given as it could cause a problem in the discharge.
  • Table 1 shows the test results of the test. In each sample, the length L of the first straight portion was 0.1 mm, and the angle ⁇ was 15 °.
  • the outer diameter of the tip surface of the center electrode, the inner diameter of the opening of the cavity portion, and the like were the same as described above.
  • the shortest distance SL1 is preferably set to 1.0 mm or more in order to ensure sufficient insulation performance and more reliably generate plasma.
  • spark plug samples with various changes in the shortest distance SL2 were prepared, and an initial discharge voltage measurement test was performed on each sample.
  • the outline of the initial discharge voltage measurement test is as follows. That is, after the sample was attached to the test chamber, the discharge voltage (initial discharge voltage) required for spark discharge was measured with the pressure in the chamber being 0.8 MPa.
  • the initial discharge voltage is preferably 20 kV or less, considering that the discharge voltage gradually increases due to consumption of the center electrode and that the higher the discharge voltage, the easier the channeling of the insulator. I can say that.
  • FIG. 12 shows the test results of the test.
  • the configuration of each sample was the same as that of the above-described insulation evaluation test.
  • the sample having the shortest distance SL2 of 2.5 mm or less can more reliably set the initial discharge voltage to 20 kV or less.
  • the length (cavity length) of the cavity portion along the axis is set to 0.5 mm, 1.0 mm, or 1.5 mm, and the volume V1 (mm 3 ) of the first cavity portion and the second cavity portion
  • V2 (mm 3 ) volume of the first cavity portion and the second cavity portion
  • FIG. 13 shows the test results of the test.
  • the test results of the sample with the cavity length of 0.5 mm are indicated by circles
  • the test results of the sample with the cavity length of 1.0 mm are indicated by triangles
  • the cavity length is 1.5 mm. Sample test results are shown as squares.
  • the length L of the first straight portion was 0.1 mm, and the angle ⁇ was 15 °.
  • the outer diameter of the tip surface of the center electrode was 1.5 mm
  • the inner diameter of the opening of the cavity part (second cavity part) was 0.8 mm
  • the inner diameter of the through hole of the ground electrode was 1.0 mm.
  • the cavity portion is formed in a columnar shape
  • the cavity along the axis The test results of the spark plug (see FIG. 9) having a length of 0.5 mm, 1.0 mm, or 1.5 mm are shown by a straight line, a dotted line, and a one-dot chain line, respectively.
  • each sample had excellent ignitability as compared with the spark plug corresponding to the comparative example having the same cavity length, but V2 / V1 was particularly 0.2.
  • the critical air-fuel ratio of the sample set to 3.0 or less increased by 1.0 or more from the limit air-fuel ratio of the spark plug corresponding to the comparative example having the same cavity length, and it was found that the ignitability was extremely excellent. This is considered to be due to the following reason. That is, (1) By setting V2 / V1 to 0.2 or more and making the volume V1 of the first cavity part relatively small, the first cavity part is filled with the plasma generated in the first cavity part.
  • the cavity portion opening is generated by the ejection pressure generated in the first cavity portion. That the plasma ejected from the chamber was sufficiently generated, and that a larger plasma could be ejected from the opening of the cavity, and (2) By setting V2 / V1 to 3.0 or less and preventing the volume V2 of the second cavity part from being excessive with respect to the volume V1 of the first cavity part, excessive plasma is generated in the second cavity part, and the first This is considered to be because it was possible to more reliably prevent the situation in which the plasma could not be sufficiently ejected by the ejection pressure generated in the cavity, and to improve the amount of plasma ejected from the opening of the cavity.
  • the volume V1 (mm 3 ) of the first cavity part and the volume V2 (mm 3 ) of the second cavity part are 0.2 ⁇ V2 / V1 ⁇ It can be said that it is preferable to configure to satisfy 3.0.
  • the ground electrode 27 is made of a metal containing W, Ir, or the like, but only the portion on the inner peripheral side that is consumed by spark discharge in the ground electrode 27 contains W, Ir, or the like. It is good also as comprising with a metal.
  • the electrode tip 5D is provided at the tip of the center electrode 5, but the center electrode 5 may be configured without providing the electrode tip 5D.
  • the ground electrode 27 is configured to come into contact with the tip surface of the insulator 2, but the tip surface of the insulator 2 and the ground electrode 27 are not brought into contact with each other. A slight gap may be provided between them. However, in view of the heat resistance of the ground electrode 27, it is preferable that the ground electrode 27 is in contact with the insulator 2.
  • the front end surface 5F of the center electrode 5 is flat.
  • the front end surface 5F has an outwardly convex curved surface (for example, the front end portion of the center electrode 5 is hemispherical). Also good.
  • the through hole 28 and the shaft hole 4 are coaxially positioned (the center of the through hole 28 is positioned on the axis CL1). It may be configured to be slightly deviated from the axis CL1.
  • the tool engaging portion 19 has a hexagonal cross section, but the shape of the tool engaging portion 19 is not limited to such a shape. Therefore, for example, the tool engaging portion 19 may have a Bi-HEX (deformed 12 angle) shape [ISO22977: 2005 (E)].
  • SYMBOLS 1 Spark plug (plasma jet spark plug), 2 ... Insulator (insulator), 3 ... Main metal fitting, 4 ... Shaft hole, 5 ... Center electrode, 27 ... Ground electrode, 28 ... Through-hole, 29 ... Cavity part, 41 ... 1st straight part, 42 ... 2nd straight part, 43 ... Diameter reduction part, 291 ... 1st cavity part, 292 ... 2nd cavity part, CL1 ... Axis line.

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Abstract

 点火プラグ(1)は、軸孔(4)を有する絶縁碍子(2)と、先端面が絶縁碍子(2)の先端よりも後端側に位置するようにして軸孔(4)内に挿設される中心電極(5)と、主体金具(3)と、主体金具(3)に固定された接地電極(27)とを備え、軸孔(4)の内周面及び中心電極(5)の先端面により形成されるキャビティ部(29)を有する。軸孔(4)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る第1ストレート部(41)と、第1ストレート部(41)の先端から軸線(CL1)方向先端側に向けて縮径する縮径部(43)とを備える。また、軸線(CL1)を含む断面において、軸線(CL1)と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、α≧10を満たす。これにより、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ことができる。

Description

プラズマジェット点火プラグ
 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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 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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