JP4777463B2 - プラズマジェット点火プラグ - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを形成して混合気への点火を行う内燃機関用のプラズマジェット点火プラグの点火装置に関するものである。

従来、例えば自動車用の内燃機関であるエンジンの着火用のプラグには、火花放電（単に「放電」ともいう。）により混合気への着火を行うスパークプラグが使用されている。近年、内燃機関の高出力化や低燃費化が求められており、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確実に着火できる着火性の高い点火プラグとして、プラズマジェット点火プラグが知られている。

このようなプラズマジェット点火プラグは、電源に接続されて使用される際に中心電極と接地電極との間の火花放電間隙が形成される。プラズマジェット点火プラグは、この火花放電間隙の周囲をセラミックス等の絶縁碍子で包囲して、キャビティと称する小さな容積の放電空間を形成した構造を有している。重畳式の電源を使用する場合のプラズマジェット点火プラグを一例（例えば、特許文献１参照。）を以って説明すると、混合気への点火の際には、まず、中心電極と接地電極との間に高電圧が印加され、火花放電（「トリガー放電」ともいう）が行われる。このときに生じた絶縁破壊によって、両者間には比較的低電圧で電流を流すことができるようになる。そこで更にエネルギーを供給することで放電状態を遷移させ、キャビティ内でプラズマが形成される。そして、形成されたプラズマが連通孔（いわゆるオリフィス）を通じて噴出されることによって、混合気への着火が行われるのである。プラズマの噴出の観点からはこの行程が１回に相当する。

このようなプラズマジェット点火プラグでは、プラズマを形成する際に、一般的なスパークプラグにおいて火花放電のために流される電流よりも大きな電流を火花放電間隙に流す必要がある。流す電流を大きくするためには電流の流れる回路上の電気抵抗値を低くする必要があるため、これまで、プラズマジェット点火プラグの内部に抵抗器を設けるという考えはなかった（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００２−３２７６７２号公報 特開昭５７−２８８６９号公報

しかしながら、プラズマジェット点火プラグには短時間のうちに大きな電流が流されることとなるため、単位時間あたりの電流値の変動が激しい。このため、抵抗器が設けられていないプラズマジェット点火プラグは、容量放電による絶縁体や電極の消耗が激しく、また、容量放電時に大きな電雑ノイズ（本明細書では、機器の外部に輻射される電磁波等のノイズのことを「電雑ノイズ」と称することがある。電子機器内に高周波電流が流れるとそれによって電雑ノイズが輻射され、これが外部の機器や他の信号に干渉して影響を及ぼすこととなる。）を発生してしまう。一方で、容量放電による絶縁体や電極の消耗や容量放電時の大きな電雑ノイズを抑制するために、プラズマジェット点火プラグに流れる電流の電流値を抑えることも考えられるが、容量放電時に発生する放電電流が小さくなる結果、プラズマの形成に十分な大きさの容量放電によるエネルギーが得られなくなる虞がある。このように、容量放電による絶縁体や電極の消耗や容量放電時の大きな電雑ノイズを抑制することと、プラズマの形成に十分な大きさの容量放電の発生することと、はトレードオフの関係にあり、この関係の中で最適な構造のプラズマジェット点火プラグが求められている。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、プラズマジェット点火プラグの点火時に、プラズマを形成するのに十分な大きさの電流を火花放電間隙に流しつつも、電雑ノイズの発生を抑制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。

前述した目的を達成するために、本発明に係るプラズマジェット点火プラグは、下記（１）〜（３）を特徴としている。
（１） 軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、先端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配置される中心電極と、前記絶縁体の外周に配置される略筒状の主体金具と、前記中心電極との間で火花放電間隙を形成する接地電極とを備えるプラズマジェット点火プラグであって、
前記中心電極および前記接地電極の少なくとも一方には、インダクタンスが１μＨ以上１００μＨ以下、且つ抵抗値が１Ω以下の抵抗器が電気接続されていることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
（２） 上記（１）の構成のプラズマジェット点火プラグであって、
前記抵抗器は、前記中心電極の後端部に、連結して設けられていること。
（３） 上記（１）の構成のプラズマジェット点火プラグであって、
前記抵抗器は、一端が前記接地電極に、他端が前記主体金具に連結して設けられていること。

上記（１）の構成のプラズマジェット点火プラグによれば、プラズマジェット点火プラグの点火時に、プラズマを形成するのに十分な大きさの電流を火花放電間隙に流しつつも、電雑ノイズの発生を抑制することができる。
なお、プラズマジェット点火プラグのようにプラズマによる混合気への着火を考慮しないスパークプラグのなかには、数十ｋΩ〜数ｋΩの抵抗器が設けられているものがある。従来、プラズマジェット点火プラグの内部に抵抗器を設けるという考えがないため、上述のスパークプラグの抵抗器をプラズマジェット点火プラグに適用するという着想は有り得ない。しかし、仮に、上述のスパークプラグの抵抗器をプラズマジェット点火プラグに適用したとしても、プラズマによる混合気への着火を考慮せずに過剰な抵抗値が設定された抵抗器では、プラズマを形成するのに十分な大きさの電流を火花放電間隙に流すことができず、その結果、プラズマによる混合気への着火が実現し得ないことを述べておく。
上記（２）、または（３）の構成のプラズマジェット点火プラグによれば、簡易な構造によって、プラズマジェット点火プラグに抵抗器を設けることができる。

本発明のプラズマジェット点火プラグによれば、プラズマジェット点火プラグの点火時に、プラズマを形成するのに十分な大きさの電流を火花放電間隙に流しつつも、電雑ノイズの発生を抑制することができる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

プラズマジェット点火プラグの基本的な構成を示す部分断面図である。 図１に示したプラズマジェット点火プラグの一部分を拡大して表す部分断面図である。 図２に示したプラズマジェット点火プラグを用いた点火装置の構成例を示す電気回路図である。 図２に示したプラズマジェット点火プラグ内部の等価回路を含む点火装置の回路構成を示す電気回路図である。 プラズマジェット点火プラグに印加される放電電圧及び放電電流の波形の具体例を示す波形図である。 変形例１におけるプラズマジェット点火プラグの一部分を拡大して表す図であり、（ａ）がその部分断面図であり、（ｂ）がその上面図である。 変形例１におけるプラズマジェット点火プラグ内部の等価回路を含む点火装置の回路構成を示す電気回路図である。 変形例２におけるプラズマジェット点火プラグの一部分を拡大して表す図であり、（ａ）がその部分断面図であり、（ｂ）がその上面図である。 変形例４におけるプラズマジェット点火プラグを先端側から見た状態を表す平面図である。 変形例４におけるプラズマジェット点火プラグの一部分を拡大して表す部分断面図である。 本発明のプラズマジェット点火プラグの試作品の特性に関する評価結果を表すグラフである。 図２に示したプラズマジェット点火プラグ内部の等価回路を含む点火装置の回路構成を示す電気回路図である。 プラズマジェット点火プラグに印加される放電電圧と放電電流の波形の具体例を示す波形図である。

以下、本発明を具体化したプラズマジェット点火プラグの一実施の形態について、図面を参照して説明する。本発明のプラズマジェット点火プラグ１００に関する基本的な構成が図１に示されている。なお、図１において、プラズマジェット点火プラグ１００の軸線方向Ｏを図面における上下方向とし、下側をプラズマジェット点火プラグ１００の先端側、上側を後端側として説明する。

図１に示す、プラズマジェット点火プラグ１００は、周知のようにアルミナ等を焼成してなる絶縁部材であり、軸線方向Ｏへ延びる軸孔１２が形成された筒状の絶縁碍子１０を有する（絶縁碍子１０を絶縁体と称することがある。）。絶縁碍子１０は、軸線方向Ｏの略中央に、外径の最も大きな中胴部１９を有する。この中胴部１９の後端側には、中胴部１９よりも縮径された外径を持つ後端側胴部１８が、軸線方向Ｏ後端側（図１における上側）へ向け延びるように形成されている。また、中胴部１９より先端側（図１における下側）には後端側胴部１８よりも外径の小さな先端側胴部１７が形成されている。さらにその先端側胴部１７よりも先端側に、先端側胴部１７よりも外径の小さな脚長部１３が形成されている。そして絶縁碍子１０の軸孔１２のうち脚長部１３の内周にあたる部分は、軸孔１２のうちの他の部分よりも縮径され、電極収容部１５として形成されている。この電極収容部１５の内周は絶縁碍子１０の先端面１６に連続し、後述するキャビティ６０の開口部１４を形成している。

軸孔１２のうちの電極収容部１５の内部には、銅または銅合金を芯材に用い、Ｎｉ合金を外皮とする棒状の中心電極２０が挿設されている。中心電極２０は、Ｗで構成されている。または、中心電極２０の先端に、貴金属やＷを主成分とする合金からなる円盤状の電極チップ２５を中心電極２０と一体となるように接合した構成でもよい（なお、本実施の形態では、中心電極２０と電極チップ２５が一体となった形態も含めて「中心電極」と称する。）。中心電極２０は、この中心電極２０の先端（または、中心電極２０と一体に接合された電極チップ２５の先端）が、絶縁碍子１０の脚長部１３の先端面１６よりも軸線方向Ｏ後端側に位置するように、電極収容部１５内に配置される。このため、この中心電極２０の先端と、軸孔１２の電極収容部１５の内周面とに囲まれて、容積の小さな放電空間が形成される。本実施の形態では、この放電空間をキャビティ６０と称する。また、中心電極２０は軸孔１２内を後端側へ向けて延びており、後述する巻線抵抗器２１及び金属とガラスの混合物からなる導電性のシール体４を経由して、軸孔１２の後端側に設けられた端子金具４０と電気的に接続されている。この端子金具４０にはプラグキャップ（図示外）を介して高圧ケーブル（図示外）が接続され、後述する点火装置２００（図３参照）から高電圧が印加されるようになっている。

また、絶縁碍子１０は、鉄系の材料を用いて略円筒状に形成された主体金具５０に、後端側胴部１８の一部から脚長部１３にかけての部位の周囲を取り囲まれて、加締めにより保持されている。このように絶縁碍子１０の外周に配置される主体金具５０は、内燃機関のエンジンヘッドにプラズマジェット点火プラグ１００を固定するための金具であり、エンジンヘッドの取付孔に螺合するねじ山が形成された取付ねじ部５２を有する。そして取付ねじ部５２の基端側には、プラズマジェット点火プラグ１００をエンジンヘッドの取付孔に取り付けた際に、取付孔を介したエンジン内の気密漏れを防止するため、環状のガスケット５が嵌挿されている。

主体金具５０の先端には、インコネル（商標名）６００または６０１等の耐火花消耗性に優れたＮｉ系合金を用い、円盤状に形成された接地電極３０が設けられている。接地電極３０は、厚み方向を軸線方向Ｏに揃え、絶縁碍子１０の先端面１６に当接した状態で、主体金具５０と一体に接合されている。接地電極３０の中央には連通孔３１が穿設され、キャビティ６０の開口部１４に連なって同軸に配置されており、この連通孔３１を介し、キャビティ６０の内部と外気とが連通されている。接地電極３０と中心電極２０との間は火花放電間隙として形成されており、キャビティ６０は、少なくともその一部の周囲を包囲する形態をなす。この火花放電間隙にて行われる火花放電の際にエネルギーが供給されて、キャビティ６０内でプラズマが形成され、このプラズマが連通孔３１を介し、開口部１４から噴出される。

図１に示すプラズマジェット点火プラグ１００の先端側の一部分（仮想線で囲んだ領域Ｐ）の詳細が図２に示されている。なお、図１と図２は図中の上下関係が互いに逆になっているので注意されたい。プラズマジェット点火プラグ１００の先端方向は矢印Ｙで示す方向であり、図１における下方向は、図２における上方向である。
図２に示すように、中心電極２０は周囲が絶縁碍子１０によって囲まれた空間に配置されている。中心電極２０の後端側（図２の下側）には絶縁材料により構成された円柱状のボビン２２が連結されている。このボビン２２の外周に沿って、抵抗率が一定の材料で構成された線材（金属等）が螺旋状（コイル状）に巻き付けられており、この線材が巻線抵抗器２１を形成している。

巻線抵抗器２１の一端２１ａは中心電極２０の一端（２０ｂ）と電気的に接続してあり、巻線抵抗器２１の他端２１ｂは図１に示すシール体４を経由して端子金具４０と電気的に接続してある。巻線抵抗器２１は電気的には直流抵抗成分とインダクタンス成分とを含んでいる。本実施の形態では、巻線抵抗器２１の直流抵抗が１Ω以下、且つインダクタンスが１μＨ以上１００μＨ以下になるように線材の太さや巻数を決定してある（このような数値に決定した理由は追って詳述する。）。この直流抵抗の数値、およびインダクタンスの数値は、発明者が数値を変えて測定を繰り返した結果、本発明の目的である、プラグ内部の浮遊容量の影響で生じる電流を巻線抵抗器２１で抑制しノイズを低減する点を達成する上で好ましいと認められた数値である。逆に、巻線抵抗器２１の抵抗値が１Ωより大きいと、コンデンサＣに溜めた電荷によって流れる電流（プラズマ化の為の電流。プラズマ電流と称することがある。）が制限されてしまい、プラズマを形成するのに十分な大きさのエネルギーを火花放電間隙に効率よく供給することができなくなってしまう（プラズマジェット点火プラグ１００の着火性の低下）。また、１μＨよりも小さいと、容量放電電流を十分低減することができず、容量放電時のノイズの低減や絶縁体の消耗に対して十分効果が得られない（ノイズの低減量の低下）。

中心電極２０の外側を包囲する電極は、接地電極３０及び主体金具５０によって構成されている。接地電極３０及び主体金具５０は互いに電気的に接続され接地されている。接地電極３０及び主体金具５０と中心電極２０との間は絶縁碍子１０によって電気的に絶縁されている。

プラズマジェット点火プラグ１００の先端側では、接地電極３０の中央部に開口部１４が形成されている。中心電極２０の一端（２０ａ）と開口部１４との間に放電のための空隙としてキャビティ６０が形成されている。中心電極２０と接地電極３０との間に高電圧を印加すると、キャビティ６０の領域で絶縁破壊を起こしながら火花放電が発生する。また、火花放電の後で更に大きな電気エネルギーを供給することにより放電によってプラズマが生成される。このプラズマが、開口部１４から矢印Ｙ方向に柱状になって放出され混合気に点火する。

図１及び図２に示したプラズマジェット点火プラグ１００を用いた点火装置２００の電気回路の構成例が図３に示されている。図３に示すように、点火装置２００は２つの高電圧発生回路２１０、２２０を備えている。一方の高電圧発生回路２１０は、プラズマジェット点火プラグ１００の中心電極２０と接地電極３０との間で火花放電を行わせるための電源であり、数十ｋＶ程度の高電圧を一時的に出力する。もう一方の高電圧発生回路２２０は、火花放電が生じた後で、プラズマの発生に必要な電気エネルギーをプラズマジェット点火プラグ１００に供給するための電源であり、５００Ｖ程度の高電圧を出力する。高電圧発生回路２１０から供給される電力と高電圧発生回路２２０から供給される電力とによって、プラズマジェット点火プラグ１００の開口部１４からエンジンヘッドの内側空間に向けてプラズマが噴出し、このプラズマにより混合気への点火が行われる。

図３に示す高電圧発生回路２１０は、点火コイル２１１及びトランジスタＱ１を備えている。点火コイル２１１は一次側巻線Ｌ１と二次側巻線Ｌ２を有する高圧トランスである。点火コイル２１１の一次側巻線Ｌ１は、一端が直流電源（バッテリー等に相当する）２３０のプラス側端子と接続され、他端がトランジスタＱ１のコレクタ端子と接続されている。直流電源２３０のマイナス側端子はアースに接続されている。

トランジスタＱ１の制御端子であるベース電極には、図示しない制御回路から点火コイル通電信号が印加される。この点火コイル通電信号は、プラズマジェット点火プラグ１００における放電の１サイクル毎に１つのパルス信号が現れる二値信号であり、トランジスタＱ１のスイッチング制御に利用される。

すなわち、点火コイル通電信号が高レベルになると、トランジスタＱ１が導通し、直流電源２３０から供給される電力により点火コイル２１１の一次側巻線Ｌ１に電流が流れる。また、点火コイル通電信号が低レベルになると、トランジスタＱ１が非導通に切り替わり、点火コイル２１１の一次側巻線Ｌ１に流れる電流が急速に遮断される。点火コイル２１１の一次側巻線Ｌ１に電流が流れ始める時、並びに点火コイル２１１の一次側巻線Ｌ１の電流が遮断される時に、二次側巻線Ｌ２には高電圧が発生する。二次側巻線Ｌ２に発生する電圧は、一次側巻線Ｌ１と二次側巻線Ｌ２の巻数比によって決定される。

図３に示すように、高電圧発生回路２１０の出力端子２１０ａは、ダイオードＤ１の一端であるカソード端子と接続され、ダイオードＤ１の他端であるアノード端子には抵抗器Ｒ１の一端が接続され、抵抗器Ｒ１の他端がプラズマジェット点火プラグ１００の端子金具４０と電気的に接続されている。ダイオードＤ１は電流の逆流を防止するために設けてある。すなわち、負極性の電圧により端子金具４０から二次側巻線Ｌ２に向かう方向にのみ火花放電時の電流が流れるようにダイオードＤ１が極性を制御する。抵抗器Ｒ１の抵抗値については、１００Ω以上が望ましい。

一方、高電圧発生回路２２０の出力端子とアースとの間にはコンデンサＣが接続されている。また、高電圧発生回路２２０の出力端子にダイオードＤ２の一端であるカソード端子が接続され、ダイオードＤ２の他端であるアノード端子がプラズマジェット点火プラグ１００の端子金具４０と電気的に接続されている。ダイオードＤ２は電流の逆流を防止するために設けてある。すなわち、負極性の電圧により端子金具４０から高電圧発生回路２２０の出力側に向かう方向にのみプラズマ放電時の電流が流れるようにダイオードＤ２が極性を制御する。

プラズマジェット点火プラグ１００において放電を開始する時には、まず火花放電（トリガー放電とも言う）を発生させるために、高電圧発生回路２１０からプラズマジェット点火プラグ１００に高電圧を供給する。すなわち、図３に示すトランジスタＱ１が導通状態から非導通状態に切り替わる時、点火コイル２１１の二次側巻線Ｌ２に瞬間的に高電圧が発生し、この高電圧がアース電位に対し負極性の電圧として高電圧発生回路２１０の出力端子２１０ａに現れ、この高電圧がダイオードＤ１及び抵抗器Ｒ１を介してプラズマジェット点火プラグ１００の端子金具４０に印加される。

一方、プラズマジェット点火プラグ１００内部の電極間や、高電圧発生回路２１０とプラズマジェット点火プラグ１００とを接続する高圧ケーブル（Ｄ１、Ｒ１を含む配線）とアースとの間や、点火コイル２１１の二次側巻線Ｌ２とアースとの間には浮遊容量が存在している。

高電圧発生回路２１０の出力端子２１０ａに瞬間的に高電圧が現れると、この高電圧によって上記の各浮遊容量に電荷が蓄積される。プラズマジェット点火プラグ１００における放電の初期（「容量放電」と言う：数ナノｓｅｃ程度）には、高電圧によってキャビティ６０内で絶縁破壊が生じ火花放電が生じるが、この時には前記各浮遊容量に蓄積された電荷の放出により、プラズマジェット点火プラグ１００に電気エネルギーが供給される。また、前記各浮遊容量の電荷が放出された後は（「誘導放電」と言う：数μｓｅｃ程度）、点火コイル２１１の二次側巻線Ｌ２のインダクタンスに蓄積されたエネルギーが放出され放電が継続する。

一方、放電によりプラズマを生じさせるためには大きな電気エネルギーをプラズマジェット点火プラグ１００に供給する必要がある。高電圧発生回路２１０からプラズマジェット点火プラグ１００に供給できる電流は比較的小さいので、プラズマを生じさせるためのエネルギーを別系統の高電圧発生回路２２０から供給する。実際には、高電圧発生回路２２０が出力する電力をコンデンサＣに蓄積しておき、コンデンサＣの電荷をダイオードＤ２を介してプラズマジェット点火プラグ１００に供給する。なお、火花放電の後でプラズマ放電を行う場合には、火花放電の際に生じた絶縁破壊によって放電が生じやすくなっているので、比較的低い電圧でも放電を継続することができる。

実際には、高電圧発生回路２１０側からプラズマジェット点火プラグ１００の端子金具４０に印加される負極性の電圧が高電圧発生回路２２０に接続されているコンデンサＣの端子間に現れる負極性の電圧よりも小さくなると、ダイオードＤ２が導通し、コンデンサＣに蓄積された電荷がダイオードＤ２を介してプラズマジェット点火プラグ１００に供給される。すなわち、プラズマジェット点火プラグ１００のキャビティ６０に生じるプラズマによって流れる電流（プラズマ電流という）は、端子金具４０からダイオードＤ２を経由してコンデンサＣに流れる。従って、「容量放電」のタイミングの途中からプラズマ電流が流れ始め、コンデンサＣに蓄積された電荷の量に応じてプラズマ電流が継続的に流れる。

なお、コンデンサＣの静電容量については、プラズマ形成時のエネルギー、すなわち火花放電間隙へのトリガー放電の際に浮遊容量によって供給されるエネルギー量と、コンデンサＣから供給されるエネルギー量と和が、１回のプラズマ噴出を行うために供給される量（例えば１５０ｍＪ）となるように、その静電容量が設定されている。これらのエネルギーによって火柱状（フレーム状）のプラズマを開口部１４から噴出させることができ、プラズマにより混合気への点火を行うことができる。

ところで、前記「容量放電」のタイミングにおいては、高電圧の電荷によって放電電流の波形には非常に短い時間の間に振幅の大きい高周波電流が現れる（例えば図５のＩ１２の波形）。この高周波電流によって電磁波等のノイズが輻射されると、輻射されたノイズが点火装置２００の周囲の電子機器等に悪影響を及ぼすことになる。従って、点火装置２００から輻射されるノイズを低減する必要がある。

図３に示すような構成の点火装置２００においては、前記浮遊容量及び放電電圧が大きくなるに従って、「容量放電」の際の電流が大きくなり、輻射されるノイズも大きくなる。また、「容量放電」の際の電流が流れる経路に存在する直流抵抗が小さくなるほど、「容量放電」の際の電流が大きくなり輻射されるノイズも大きくなる。

一方、「容量放電」の際の電流が小さいと、プラズマ放電の際にプラズマジェット点火プラグ１００にプラズマ電流を流し込みにくくなる。すなわち、「容量放電」の電流が小さいと、前記浮遊容量に蓄積された電荷が放出されるのに要する時間が長くなり、高電圧発生回路２１０側からプラズマジェット点火プラグ１００に印加される負極性の高電圧が減衰するまでの時間が長くなる。この高電圧が十分に減衰しないとダイオードＤ２が導通しないので、プラズマ放電のためにコンデンサＣの電荷をプラズマジェット点火プラグ１００に供給することができない。

また、プラズマ電流が通るライン（ダイオードＤ２等が存在する電流経路）については、直流抵抗を小さくするのが望ましい。これにより、プラズマ電流のピーク値が大きくなり、プラズマの生成効率が改善される。

図３に示すように、高電圧発生回路２１０の出力とプラズマジェット点火プラグ１００の端子金具４０との間に抵抗器Ｒ１を挿入することにより、ノイズを低減することができる。すなわち、「容量放電」の際に、高電圧発生回路２１０とプラズマジェット点火プラグ１００とを接続する高圧ケーブル（Ｄ１、Ｒ１を含む配線）とアースとの間や、点火コイル２１１の二次側巻線Ｌ２とアースとの間に存在する浮遊容量に蓄積された電荷によって流れる電流を抑制し放電の所要時間を長くすることにより、高周波電流の振幅が小さくなって輻射されるノイズが低減される。

高電圧発生回路２１０の出力とプラズマジェット点火プラグ１００の端子金具４０との間には大きい電流を流す必要はないので、この電流経路に直流抵抗値が比較的大きい（１００Ω以上）抵抗器Ｒ１を挿入することができる。

しかし、「容量放電」の際の電流に影響を及ぼす浮遊容量については、高電圧発生回路２１０とプラズマジェット点火プラグ１００とを接続する高圧ケーブル（Ｄ１、Ｒ１を含む配線）とアースとの間や、点火コイル２１１の二次側巻線Ｌ２とアースとの間に存在する浮遊容量の他にも存在するので、抵抗器Ｒ１を挿入するだけでは十分にノイズを低減できない。

図３に示した点火装置２００の一部分に関する等価回路が図４に示されている。図４に示すように、プラズマジェット点火プラグ１００の電極間、すなわち端子金具４０や中心電極２０と、アース側の接地電極３０や主体金具５０との間にも浮遊容量Ｃ１００が存在している。この浮遊容量Ｃ１００に蓄積された電荷によって生じる電流は抵抗器Ｒ１の存在する経路を通らないので、抵抗器Ｒ１を挿入するだけでは浮遊容量Ｃ１００の電流が抑制できず、大きなノイズが発生する可能性がある。

浮遊容量Ｃ１００によって流れる電流を制御するために、プラズマジェット点火プラグ１００に内蔵した巻線抵抗器２１が役立つ。すなわち、巻線抵抗器２１には直流抵抗成分Ｒ２１及びインダクタンス成分Ｌ２１が含まれているので、この影響により「容量放電」の際に浮遊容量Ｃ１００により流れる電流が抑制され、電流が流れる時間の長さも調整される。

ここで、巻線抵抗器２１の直流抵抗を１Ω以下、且つインダクタンスを１μＨ以上１００μＨ以下になるようにした点について、図４、図１２、および図１３を参照して説明する。
巻線抵抗器２１には、容量放電時には図４に示すように浮遊容量Ｃ１００を含む閉回路を流れる容量放電電流が流れるとともに、誘導放電時には図１２に示すように接地電極３０からコンデンサＣに向って流れるプラズマ電流が流れる。図１３に示すプラズマ電流のピーク値は、巻線抵抗器２１の直流抵抗成分Ｒ２１及びインダクタンス成分Ｌ２１の値によって変わり、直流抵抗成分Ｒ２１及びインダクタンス成分Ｌ２１の値が小さいほどそのピーク値は大きくなり、直流抵抗成分Ｒ２１及びインダクタンス成分Ｌ２１の値が大きいほどそのピーク値は小さくなる。一方、プラズマジェット点火プラグ１００によって良好な着火性を得るためには、キャビティ内で形成されたプラズマを連通孔（オリフィス）を通じて強く噴出させる必要があるが、このプラズマの噴出の強さは、上述のプラズマ電流のピーク値の大小に依存し、プラズマ電流のピーク値が大きいほど大きくなる。したがって、巻線抵抗器２１の直流抵抗成分Ｒ２１及びインダクタンス成分Ｌ２１を設定するにあたっては、プラズマジェット点火プラグ１００による着火性についても考慮する必要がある。

そこで、発明者は、直流抵抗成分Ｒ２１の数値およびインダクタンス成分Ｌ２１の数値と、浮遊容量Ｃ１００に流れる電流に起因するノイズの低減量の度合いおよびプラズマジェット点火プラグ１００による着火性と、の関係について検証を行った。その結果を表１に示す。

表１に示すように、直流抵抗成分Ｒ２１の数値が１Ωより大きく、且つインダクタンス成分Ｌ２１の数値が１００μＨより大きい場合には、ノイズの低減度合いは優れているものの、プラズマジェット点火プラグ１００による高い着火性は得られなかった。また、直流抵抗成分Ｒ２１の数値が１Ω以下、且つインダクタンス成分Ｌ２１の数値が１００μＨより大きい場合には、ノイズの低減度合いは優れているものの、プラズマジェット点火プラグ１００による高い着火性は得られなかった。また、直流抵抗成分Ｒ２１の数値が１Ω以下、且つインダクタンス成分Ｌ２１の数値が１μＨ以上１００μＨ以下の場合には、ノイズの低減度合いは優れ、プラズマジェット点火プラグ１００による高い着火性が得られた。また、直流抵抗成分Ｒ２１の数値が１Ω以下、且つインダクタンス成分Ｌ２１の数値が１μＨ未満の場合には、プラズマジェット点火プラグ１００による高い着火性が得られるものの、ノイズの低減度合いは優れなかった。この検証の結果から、直流抵抗成分Ｒ２１の数値が１Ω以下、且つインダクタンス成分Ｌ２１の数値が１μＨ以上１００μＨ以下の場合には、ノイズの低減度合いは優れ、且つ、プラズマジェット点火プラグ１００による高い着火性が得られることがわかる。他方、直流抵抗成分Ｒ２１の数値およびインダクタンス成分Ｌ２１の数値の一方または両方がこの範囲に含まれない場合には、ノイズの低減度合いが優れない、あるいはプラズマジェット点火プラグ１００による着火性が優れないことがわかる。この検証の結果を踏まえ、本発明では、巻線抵抗器２１の直流抵抗が１Ω以下、且つインダクタンスが１μＨ以上１００μＨ以下になるように線材の太さや巻数を設定した。

プラズマジェット点火プラグ１００に印加される放電電圧及び放電電流の波形の具体例が図５に示されている。図５の右側に示されている放電電圧Ｖ１１及び放電電流Ｉ１１は、図２に示すような巻線抵抗器２１を内蔵したプラズマジェット点火プラグ１００の特性例であり、図５の左側に示されている放電電圧Ｖ１２及び放電電流Ｉ１２は巻線抵抗器２１を内蔵しない一般的なプラズマジェット点火プラグの特性例である。

図５に示すように、巻線抵抗器２１を内蔵したプラズマジェット点火プラグ１００の放電電流Ｉ１１については、巻線抵抗器２１がない場合の放電電流Ｉ１２に比べて振幅が小さくなっている。つまり、プラズマジェット点火プラグ１００の内部に巻線抵抗器２１を設けることにより、「容量放電」の際に浮遊容量Ｃ１００により流れる高周波電流が抑制され、ノイズが低減されることを意味している。

また、巻線抵抗器２１についてはノイズを抑制する以外の効果も得られる。すなわち、放電時にキャビティ６０の近傍に存在する絶縁体の消耗が、巻線抵抗器２１を設けることによって抑制される。プラズマジェット点火プラグ１００の試作品に関する評価結果が図１１、表１に示されている。図１１には絶縁体の消耗具合に関する評価結果と、ノイズの強度に関する評価結果とが示されている。また、表１には直流抵抗成分Ｒ２１の数値およびインダクタンス成分Ｌ２１の数値と、絶縁体の消耗具合と、の関係についての検証の結果が示されている。図１１に示すそれぞれの評価結果では、巻線抵抗器２１が内蔵されている場合と、巻線抵抗器がプラズマジェット点火プラグ１００の外側に接続されている場合と、巻線抵抗器が存在しない場合との特性を対比している。いずれの評価結果も、巻線抵抗器２１が内蔵されている場合、および巻線抵抗器がプラズマジェット点火プラグ１００の外側に接続されている場合において、巻線抵抗器が存在しない場合よりも向上していることが分かる。また、巻線抵抗器が存在する場合について詳細に検証した表１の結果から、直流抵抗成分Ｒ２１の数値が１Ω以下、且つインダクタンス成分Ｌ２１の数値が１μＨ以上１００μＨ以下の場合には、ノイズの低減度合いは優れ、プラズマジェット点火プラグ１００による高い着火性が得られるとともに、キャビティ６０の近傍に存在する絶縁体の消耗が抑えられ高い耐久性を持っていることがわかる。

次に、上述のプラズマジェット点火プラグ１００に関する変形例について説明する。
（変形例１）
変形例１におけるプラズマジェット点火プラグ１００Ｂの先端側の一部分（図２の領域Ｐと同様の箇所）に関する部分断面が図６（ａ）に、その上面図が図６（ｂ）に、それぞれ示されている。なお、図６において図１、図２と対応する要素は同一の符号を付けて示してある。図６に示した要素以外の構成については、図１のプラズマジェット点火プラグ１００と同一である。

図６に示すプラズマジェット点火プラグ１００Ｂにおいては、図２に示したプラズマジェット点火プラグ１００とは異なる箇所に巻線抵抗器２１Ｂが設けてある。図６に示すように、主体金具５０Ｂの先端部５０Ｂａは絶縁碍子１０の先端面１０ａよりも後端側に位置しており、絶縁碍子１０の先端面１０ａは主体金具５０Ｂよりも先端側（矢印Ｙ方向）に突出している。

巻線抵抗器２１Ｂを構成する導電性の線材は、絶縁碍子１０の突出した部分の外周に沿って、螺旋状に巻き付けてある。巻線抵抗器２１Ｂの特性については、巻線抵抗器２１と同様に直流抵抗が１Ω以下、且つインダクタンスが１μＨ以上１００μＨ以下になっている。巻線抵抗器２１Ｂの一端２１Ｂａは、略直棒状の接地電極３０Ｂに電気的に接続される。巻線抵抗器２１Ｂの一端２１Ｂａは、たとえば、溶接によって接地電極３０Ｂに電気的に接続される。一方、巻線抵抗器２１Ｂの他端２１Ｂｂは、主体金具５０Ｂの先端部５０Ｂａと電気的に接続してある。接地電極３０Ｂは、図６（ｂ）に示すように、その一端が巻線抵抗器２１Ｂの一端２１Ｂａに接続され、その他端が中心電極２０との間の放電に利用する電極としてキャビティ６０Ｂの近傍に配置してある。

図６に示したプラズマジェット点火プラグ１００Ｂ内部の等価回路を含む点火装置の回路構成が図７に示されている。図７に示すように、巻線抵抗器２１Ｂは、放電に利用する接地電極３０Ｂと主体金具５０との間に挿入されている。
このように巻線抵抗器２１Ｂが内蔵されたプラズマジェット点火プラグ１００Ｂを用いることにより、図２に示したプラズマジェット点火プラグ１００の場合と同様に、巻線抵抗器２１Ｂによって容量放電の際のプラグ内部の浮遊容量による電流が抑制されノイズが低減される。また、図６に示すように巻線抵抗器２１Ｂを主体金具５０側に設ける場合には、巻線抵抗器２１Ｂの影響を受けない浮遊容量が図２に示す構成の場合と比べてより小さくなるので、ノイズの低減効果が更に高まる。

（変形例２）
変形例２におけるプラズマジェット点火プラグ１００Ｃの先端側の一部分（図２の領域Ｐと同様の箇所）に関する部分断面が図８（ａ）に、その上面図が図８（ｂ）に、それぞれ示されている。なお、図８において図１、図２と対応する要素は同一の符号を付けて示してある。図８に示した要素以外の構成については、図１のプラズマジェット点火プラグ１００と同一である。

図８に示すプラズマジェット点火プラグ１００Ｃにおいては、図２に示したプラズマジェット点火プラグ１００とは異なる箇所に巻線抵抗器２１Ｃが設けてある。図８に示すように、絶縁碍子１０の先端面１０ａと主体金具５０Ｃの先端面５０Ｃａとはほぼ同一の位置に配置されている。そして、絶縁碍子１０の先端面１０ａと接する位置に、横向き（軸がＹ方向と直交する向き）で巻線抵抗器２１Ｃが配置してある。

巻線抵抗器２１Ｃは、絶縁性の材料で構成したボビン２３の外周に沿って螺旋状に巻き付けた導電性の線材によって構成されている。巻線抵抗器２１Ｃの特性については、巻線抵抗器２１と同様に直流抵抗が１Ω以下、且つインダクタンスが１μＨ以上１００μＨ以下になっている。巻線抵抗器２１Ｃの一端２１Ｃａはボビン２３の一方の端部に位置する接地電極３０Ｃに電気的に接続され、巻線抵抗器２１Ｃの他端２１Ｃｂはボビン２３の他方の端部に位置する導体に電気的に接続され、その導体を介して主体金具５０Ｃの先端面５０Ｃａと電気的に接続してある。巻線抵抗器２１Ｃの両端２１Ｃａ、２１Ｃｂは、たとえば、溶接によってボビン２３のそれぞれの端部に位置する接地電極３０Ｃ、導体に電気的に接続される。ボビン２３の一方の端部に位置する接地電極３０Ｃは、中心電極２０との間の放電に利用する電極としてキャビティ６０Ｃの近傍に配置してある。プラズマジェット点火プラグ１００Ｃに関する等価回路については図７に示した内容と同様である。すなわち、図７に示すように、巻線抵抗器２１Ｃは、放電に利用する接地電極３０Ｃと主体金具５０との間に挿入されている。

（変形例３）
変形例３におけるプラズマジェット点火プラグ１００Ｄの先端側の一部分（図２の領域Ｐと同様の箇所）に関する構成が図９、図１０に示されている。図９はプラズマジェット点火プラグ１００Ｄを先端側から見た平面図であり、図１０は軸方向に沿って切断した面を表す部分断面図である。なお、図９、図１０において図１、図２と対応する要素は同一の符号を付けて示してある。図９、図１０に示した要素以外の構成については、図１のプラズマジェット点火プラグ１００と同一である。

図９、図１０に示すプラズマジェット点火プラグ１００Ｄにおいては、図２に示したプラズマジェット点火プラグ１００とは異なる箇所に巻線抵抗器２１Ｄが設けてある。図１０に示すように、主体金具５０Ｄの先端面５０Ｄａは絶縁碍子１０の先端面１０ａよりもわずかに先端側に突出している。従って、絶縁碍子１０の先端面１０ａは主体金具５０Ｄの先端面５０Ｄａに対して少し窪んている。この窪んだ箇所に巻線抵抗器２１Ｄが配置してある。また、絶縁碍子１０の先端面１０ａの中央部と対向する位置に、導電性の金属材料で構成した電極チップ３２（接地電極に相当する。）が配置されている。電極チップ３２の中心部、すなわちキャビティ６０Ｄと対向する位置に開口部１４が形成されている。

巻線抵抗器２１Ｄは、図９、図１０に示すように、電極チップ３２の周囲に渦巻き状に巻き付けた導電性の線材によって構成されている。なお、巻線抵抗器２１Ｄを構成する線材の外周は絶縁性の被覆で覆われている。巻線抵抗器２１Ｄの特性については、巻線抵抗器２１と同様に直流抵抗が１Ω以下、且つインダクタンスが１μＨ以上１００μＨ以下になっている。巻線抵抗器２１Ｄの外側の一端２１Ｄａは主体金具５０Ｄと電気的に接続してあり、巻線抵抗器２１Ｄの内側の一端２１Ｄｂは電極チップ３２と電気的に接続してある。プラズマジェット点火プラグ１００Ｄにおいては、中心電極２０と電極チップ３２との間に印加される高電圧によってこの間に放電が生じる。プラズマジェット点火プラグ１００Ｄに関する等価回路については図７に示したもののうち、巻線抵抗器２１Ｂの一端２１Ｂａを電極チップ３２に置き換えたものと同様である。

なお、前述の巻線抵抗器２１、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄについては、中心電極２０側と主体金具５０側のいずれか一方又は両方に配置することが想定される。少なくとも一方に巻線抵抗器２１を配置することにより、プラグ内部の浮遊容量の影響による電流の振幅や電流が流れる時間を制御することができ、輻射ノイズの低減や、絶縁体の消耗の抑制や、電極の消耗の抑制が可能になる。

４ シール体
５ ガスケット
１０ 絶縁碍子
１２ 軸孔
１３ 脚長部
１４ 開口部
１５ 電極収容部
１６ 先端面
１７ 先端側胴部
１８ 後端側胴部
１９ 中胴部
２０ 中心電極
２１，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ 巻線抵抗器
２２，２３ ボビン
２５ 電極チップ
３０，３０Ｂ，３０Ｃ 接地電極
３１ 連通孔
３２ 電極チップ
４０ 端子金具
５０，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ 主体金具
５２ 取付ねじ部
６０，６０Ｂ，６０Ｃ，６０Ｄ キャビティ
１００ プラズマジェット点火プラグ
２００ 点火装置
２１０，２２０ 高電圧発生回路
２１１ 点火コイル
２３０ 直流電源
３００ エンジンヘッド

Claims (3)

1. 軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、先端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配置される中心電極と、前記絶縁体の外周に配置される略筒状の主体金具と、前記中心電極との間で火花放電間隙を形成する接地電極とを備えるプラズマジェット点火プラグであって、
   前記中心電極および前記接地電極の少なくとも一方には、インダクタンスが１μＨ以上１００μＨ以下、且つ抵抗値が１Ω以下の抵抗器が電気接続されていることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
2. 前記抵抗器は、前記中心電極の後端部に、連結して設けられている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. 前記抵抗器は、一端が前記接地電極に、他端が前記主体金具に連結して設けられている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。

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