JP5789276B2 - 点火システム - Google Patents

Description

本発明は、点火プラグを有し、内燃機関等に使用される点火システムに関する。

点火システムは、燃焼室内の混合気等への着火のために用いられ、内燃機関（エンジン）等に取付けられる点火プラグと、点火プラグに対して電気エネルギーを供給する電源とを備えている。一般に点火プラグは、軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、軸孔の先端側に挿通される中心電極と、絶縁体の外周に設けられる主体金具と、主体金具の先端部に固定される棒状の接地電極とを備えている。また、接地電極の先端部と中心電極の先端部との間には火花放電間隙が形成されており、電源から火花放電間隙に電気エネルギーを投入し、火花放電を生じさせることで混合気等への着火がなされるようになっている（例えば、特許文献１等参照）。

また、着火性及び耐久性の向上を図るべく、接地電極の先端部に貴金属合金などからなる突出部を設ける技術が提案されている（例えば、特許文献２等参照）。

特開平５−３４３１５７号公報 特開２００９−１５８３３９号公報

ところで近年では、排ガス規制への対応や燃費向上の観点から、リーンバーンエンジンや直噴エンジン、低排ガスエンジン等の開発が積極的に行われており、このようなエンジンにおいては、一層良好な着火性が要求される。

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、火花放電を生じさせる際における電源からの出力エネルギーを十分に生かし、優れた着火性を実現することができる点火システム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．本構成の点火システムは、軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、前記軸孔の先端側に挿設され、先端部が前記絶縁体の先端から突出する中心電極と、前記中心電極の先端部との間で間隙を形成する棒状の接地電極とを有する点火プラグと、
前記間隙に電気エネルギーを投入する電源とを備え、
前記電源から前記間隙に電気エネルギーが投入されることで、前記間隙において火花放電を生じさせる点火システムであって、
１の火花放電を生じさせる際の前記電源の出力エネルギーが１００ｍＪ以上であり、
前記間隙の大きさをＧ１（ｍｍ）とし、
前記軸線と直交する平面に、前記中心電極の先端部と前記接地電極とを前記軸線に沿って投影したときにおいて、前記中心電極の投影領域のうち前記接地電極の投影領域と重なる領域を除いた領域の面積をＳ１（ｍｍ²）とし、前記中心電極の投影領域の面積をＳ２（ｍｍ²）としたとき、
Ｓ１≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ１＋６０｝／１００］×Ｓ２
Ｇ１＜２．０
を満たすことを特徴とする。

尚、１の火花放電とあるのは、内燃機関等の１サイクル中における火花放電を意味する。例えば、吸気・圧縮・点火（膨張）・排気の４つの行程をとる４ストローク機関であれば、吸気・圧縮・点火（膨張）・排気で１サイクルであり、吸気及び圧縮と、点火及び排気との２つの行程をとる２ストローク機関であれば、吸気及び圧縮・点火及び排気で１サイクルである。

上記構成１によれば、１の火花放電を生じさせる際の電源からの出力エネルギーが１００ｍＪ以上とされている。従って、電気エネルギーにより間隙において単に火花（火炎）を生成するだけでなく、電気エネルギーによって、火花（火炎）に対して先端側（燃焼室の中心側）に向けた拡散力を与えることができる。

そして、このような火花（火炎）に対して先端側に向けた拡散力が与えられる構成において、上記構成１によれば、Ｓ１≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ１＋６０｝／１００］×Ｓ２を満たすように構成されている。すなわち、間隙の大きさＧ１が小さいほど、接地電極によって火花（火炎）の先端側に向けた拡散が阻害されやすく、Ｓ１／Ｓ２が大きいほど、接地電極による火花（火炎）の拡散阻害が生じにくいところ、Ｓ１≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ１＋６０｝／１００］×Ｓ２を満たすことで、接地電極による火花（火炎）の先端側に向けた拡散阻害が効果的に抑制されるように構成されている。従って、出力エネルギーを１００ｍＪ以上とすることによる、先端側に向けた拡散力を十分に生かすことができ、火花（火炎）を先端側（燃焼室の中心側）に向けて勢いよく成長させることができる。その結果、優れた着火性を実現することができる。

構成２．本構成の点火システムは、上記構成１において、Ｓ１≦０．８×Ｓ２を満たすことを特徴とする。

上記構成２によれば、間隙において、中心電極及び接地電極の対向面積を十分に確保することができる。従って、火花放電に伴う中心電極や接地電極の局所的な消耗をより確実に抑制することができ、良好な耐久性を得ることができる。

構成３．本構成の点火システムは、軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、前記軸孔の先端側に挿設された中心電極と、前記絶縁体の外周に設けられた主体金具と、前記主体金具の先端部に配置された棒状の接地電極と、前記接地電極の先端部に設けられ、前記中心電極の先端部との間で間隙を形成する突出部とを有する点火プラグと、
前記間隙に電気エネルギーを投入する電源とを備え、
前記電源から前記間隙に電気エネルギーが投入されることで、前記間隙において火花放電を生じさせる点火システムであって、
１の火花放電を生じさせる際の前記電源の出力エネルギーが１００ｍＪ以上であり、
前記間隙の大きさをＧ３（ｍｍ）とし、
前記接地電極と前記中心電極の先端部との間の最短距離をＧ４（ｍｍ）とし、
前記軸線と直交する平面に、前記中心電極の先端部と前記接地電極と前記突出部とを前記軸線に沿って投影したときにおいて、前記中心電極の投影領域の面積をＳ２（ｍｍ²）とし、前記中心電極の投影領域のうち前記突出部の投影領域を除いた領域の面積をＳ３（ｍｍ²）とし、前記中心電極の投影領域のうち前記接地電極の投影領域及び前記突出部の投影領域を除いた領域の面積をＳ４（ｍｍ²）としたとき、
Ｓ３≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ３＋６０｝／１００］×Ｓ２
Ｓ４≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ４＋６０｝／１００］×Ｓ２
Ｇ３＜２．０
Ｇ４＜２．０
を満たすことを特徴とする。

上記構成３によれば、接地電極の先端部に突出部が設けられた点火システムにおいて、上記構成１と同様の作用効果を発揮させることができる。すなわち、出力エネルギーを１００ｍＪ以上とすることで、火花（火炎）に対して先端側に向けた拡散力を与えつつ、面積Ｓ３，Ｓ４が前記式を満たすように構成することで、拡散力を十分に生かすことができ、火花（火炎）を先端側（燃焼室の中心側）に向けて勢いよく成長させることができる。その結果、優れた着火性を実現することができる。

構成４．本構成の点火システムは、上記構成３において、Ｓ３≦０．８×Ｓ２、及び、Ｓ４≦０．８×Ｓ２のうちの少なくとも一方を満たすことを特徴とする。

上記構成４によれば、Ｓ３≦０．８×Ｓ２を満たすことで、間隙において、突出部及び中心電極の対向面積を十分に確保することができる。従って、火花放電に伴う突出部や中心電極の局所的な消耗をより確実に抑制することができ、耐久性の向上を図ることができる。

また、Ｓ４≦０．８×Ｓ２を満たすことで、突出部及び接地電極と中心電極との対向面積を十分に確保することができる。その結果、接地電極や中心電極の局所的な消耗を抑制することができ、耐久性を向上させることができる。

尚、一層良好な耐久性を実現するという観点では、Ｓ３≦０．８×Ｓ２、及び、Ｓ４≦０．８×Ｓ２の双方を満たすように構成することが好ましい。

構成５．本構成の点火システムは、上記構成１乃至４のいずれかにおいて、前記軸線と直交する平面に、前記中心電極の先端部と前記接地電極と前記接地電極の中心軸とを前記軸線に沿って投影したときにおいて、前記接地電極の投影領域の少なくとも一部が前記中心電極の投影領域に重なるとともに、前記中心軸の投影線が前記中心電極の投影領域の中心からずれた位置に存在することを特徴とする。

上記構成５によれば、接地電極のうち中心電極側に位置する面と当該面に隣接する側面との間の角部（電界強度が高くなり、火花放電の起点となる部位）を中心電極の先端部に対してより接近させることができる。従って、火花放電の起点となる部位をより多く形成することができ、中心電極や接地電極の局所的な消耗を一層効果的に抑制することができる。その結果、耐久性の更なる向上を図ることができる。

点火システムの概略構成を示すブロック図である。 点火プラグの構成を示す一部破断正面図である。 点火プラグの先端部の構成を示す一部破断拡大正面図である。 中心電極の先端部、及び、接地電極の投影図である。 接地電極の中心軸の投影線と中心電極の投影領域の中心との位置関係を示す投影図である。 火花（火炎）の成長を模式的に表す図であり、（ａ）は、拡大正面模式図であり、（ｂ）は、拡大側面模式図である。 第２実施形態における、点火プラグの構成を示す一部破断拡大正面図である。 第２実施形態における、中心電極の先端部、接地電極、及び、突出部の投影図である。 第２実施形態において、火花（火炎）の成長を模式的に表す図であり、（ａ）は、拡大正面模式図であり、（ｂ）は、拡大側面模式図である。 火花放電間隙の大きさを１．５ｍｍとし、出力エネルギーを１００ｍＪと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。 火花放電間隙の大きさを１．５ｍｍとし、中心電極の先端面の外径を１．５ｍｍと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。 火花放電間隙の大きさを１．１ｍｍとし、出力エネルギーを１００ｍＪと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。 火花放電間隙の大きさを１．１ｍｍとし、中心電極の先端面の外径を１．５ｍｍと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。 火花放電間隙の大きさを０．５ｍｍとし、出力エネルギーを１００ｍＪと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。 火花放電間隙の大きさを０．５ｍｍとし、中心電極の先端面の外径を１．５ｍｍと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。 火花放電間隙の大きさと、着火性を向上させることができる面積割合の最小値との関係を示すグラフである。 面積割合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。 センター配置サンプル及びオフセット配置サンプルにおける耐久寿命割合を示すグラフである。 別の実施形態における、突出部の構成等を示す底面図である。 別の実施形態における、接地電極の構成を示す底面図である。

以下に、実施形態について図面を参照しつつ説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、点火システム１０１の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、点火システム１０１は、内燃機関ＥＮに取付けられた点火プラグ１と、点火プラグ１に電気エネルギーを供給する電源５１とを備えている。尚、図１では、点火プラグ１を１つのみ示しているが、実際の内燃機関ＥＮには複数の気筒が設けられ、各気筒に対応して点火プラグ１が設けられる。そして、電源５１からの電気エネルギーが、図示しないディストリビュータを介して各点火プラグ１に供給されるようになっている。

点火プラグ１は、図２に示すように、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。尚、図２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。

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も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、大部分の脚長部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との連接部にはテーパ状の段部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が挿設されている。当該中心電極５は、熱伝導性に優れる金属〔例えば、銅や銅合金、純ニッケル（Ｎｉ）〕等からなる内層５Ａと、Ｎｉを主成分とする合金からなる外層５Ｂとを有している。また、中心電極５の先端部には、耐消耗性に優れる金属〔例えば、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、タングステン（Ｗ）、パラジウム（Ｐｄ）、又は、これらの少なくとも一種を主成分とする合金など〕からなる円柱状のチップ３１が設けられている。そして、中心電極５（チップ３１）は、その先端面が平坦状をなすとともに、その先端部が絶縁碍子２の先端から突出している。

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、円柱状の抵抗体７が配設されている。当該抵抗体７の両端部は、導電性のガラスシール層８，９を介して、中心電極５と端子電極６とに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を内燃機関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よりも後端側には鍔状の座部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を内燃機関等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。

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２１が設けられている。そして、絶縁碍子２は、主体金具３に対してそ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２１に係止された状態で、主体金具３の後端側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固定されている。尚、段部１４，２１間には、円環状の板パッキン２２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、燃焼室内に晒される絶縁碍子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２３，２４が介在され、リング部材２３，２４間にはタルク（滑石）２５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２２、リング部材２３，２４及びタルク２５を介して絶縁碍子２を保持している。

また、図３に示すように、主体金具３の先端部２６には、自身の中間部分にて曲げ返されて、その先端側側面が中心電極５の先端面と対向する棒状の接地電極２７が接合されている。接地電極２７は、Ｎｉを主成分とする合金（例えば、Ｎｉを主成分とし、ケイ素、アルミニウム、及び、希土類元素の少なくとも一種を含有する合金）により構成されている。加えて、中心電極５の先端部と接地電極２７の先端部との間には、間隙としての火花放電間隙３３が形成されており、電源５１から火花放電間隙３３に電気エネルギーが投入されることで、火花放電間隙３３において火花放電を生じさせることができるようになっている。また、本実施形態では、火花放電間隙３３の大きさＧ１（ｍｍ；中心電極５及び接地電極２７間の最短距離）が、２．０ｍｍ未満とされている。尚、本実施形態では、火花放電間隙３３の大きさＧ１が所定数値以上（例えば、０．３ｍｍ以上）とされている。

図１に戻り、電源５１は、点火プラグ１に対して電気エネルギーを供給し、火花放電間隙３３にて火花放電を生じさせるものであり、一次コイル５２、二次コイル５３、コア５４、及び、イグナイタ５５を備えている。

一次コイル５２は、前記コア５４を中心に巻回されており、その一端が電力供給用のバッテリ５６に接続されるとともに、その他端がイグナイタ５５に接続されている。また、二次コイル５３は、前記コア５４を中心に巻回されており、その一端が一次コイル５２及びバッテリ５６間に接続されるとともに、その他端が点火プラグ１の端子電極６に接続されている。

加えて、イグナイタ５５は、所定のトランジスタにより形成されており、所定の電子制御装置（ＥＣＵ）７１により構成された制御部６１からの通電信号に応じて、バッテリ５６から一次コイル５２に対する電力の供給及び供給停止を切り替える。点火プラグ１に電気エネルギーを供給する場合には、バッテリ５６から一次コイル５２に電流を流し、前記コア５４の周囲に磁界を形成した上で、制御部６１からの通電信号をオンからオフに切り替えることにより、バッテリ５６から一次コイル５２に対する通電を停止する。通電の停止により、前記コア５４の磁界が変化し、二次コイル５３に負極性の電気エネルギーが発生する。この電気エネルギーが点火プラグ１（火花放電間隙３３）に印加されることで、火花放電間隙３３において火花放電を発生させることができる。

加えて、本実施形態では、１の火花放電（１サイクル中の火花放電）を生じさせる際における電源５１の出力エネルギーが１００ｍＪ以上とされている（尚、出力エネルギーは、１サイクル中に１回の火花放電を生じさせる場合には、その１回の火花放電を生じさせる際の出力エネルギーをいい、１サイクル中に複数の火花放電を生じさせる場合には、各火花放電を生じさせる際のエネルギーの総量をいう）。このような高エネルギーが投入されることで、火花放電間隙３３においては、火花放電が生じるとともに、前記高エネルギーにより、火花（火炎）に対して軸線ＣＬ１方向先端側（つまり、燃焼室の中心側）に向けた拡散力が与えられるようになっている。尚、１の火花放電を生じさせる際における電源５１の出力エネルギーが１００ｍＪ未満とした場合には、投入された電気エネルギーにより火花放電は生じるものの、前記電気エネルギーにより火花（火炎）に対して軸線ＣＬ１方向先端側に向けた拡散力が与えられるといった事象は生じず、単に時間の経過とともに火炎が伝播するのみである。

また、本実施形態では、前述の通り、電源５１の出力エネルギーが１００ｍＪ以上とされ、投入エネルギーにより火花（火炎）に対して軸線ＣＬ１方向先端側に向けた拡散力が与えられるといった特徴を踏まえて、接地電極２７が次のように構成されている。

すなわち、図４に示すように、軸線ＣＬ１と直交する平面ＶＳに、中心電極５の先端部と接地電極２７とを軸線ＣＬ１に沿って投影したときにおいて、中心電極５の投影領域５Ｐ（図４中、斜線を付した部位）のうち接地電極２７の投影領域２７Ｐ（図４中、散点模様を付した部位）と重なる領域を除いた領域（図４中、太線で囲んだ領域）の面積をＳ１（ｍｍ²）とし、中心電極５の投影領域５Ｐの面積をＳ２（ｍｍ²）としたとき、Ｓ１≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ１＋６０｝／１００］×Ｓ２を満たすように構成されている。つまり、火花放電間隙３３の大きさＧ１が小さい（つまり、軸線ＣＬ１方向先端側に向けた火炎の拡散が接地電極に２７により阻害されやすい）ほど、中心電極５の先端面と接地電極２７の先端部との対向面積が小さくなるように構成されている。

一方で、中心電極５の先端面と接地電極２７の先端部との対向面積が過度に小さくなってしまうと、両電極５，２７間において火花放電の発生位置が集中してしまい、火花放電間隙３３が急速に拡大してしまうおそれがある。この点を鑑みて、本実施形態では、Ｓ１≦０．８×Ｓ２を満たすように構成されている。すなわち、中心電極５の先端面のうち接地電極２７の先端部と対向していない面が、中心電極５先端面の面積の８０％以下となる（換言すれば、中心電極５の先端面のうち接地電極２７の先端部と対向している面が、中心電極５先端面の面積の２０％以上となる）ように構成されている。

加えて、本実施形態では、図５に示すように、軸線ＣＬ１と直交する平面ＶＳに、中心電極５の先端部と接地電極２７と接地電極２７の中心軸ＣＬ２（図３参照）とを軸線ＣＬ１に沿って投影したときにおいて、接地電極２７の投影領域２７Ｐの少なくとも一部が中心電極５の投影領域５Ｐに重なるとともに、前記中心軸ＣＬ２の投影線ＰＬが中心電極５の投影領域５Ｐの中心ＣＰからずれた位置に存在するように構成されている。すなわち、軸線ＣＬ１方向先端側から見たときにおいて、中心軸ＣＬ２が中心電極５の先端面中心からずれた位置に存在するように接地電極２７の配置位置が設定されている。

以上詳述したように、本実施形態によれば、１の火花放電を生じさせる際の電源５１からの出力エネルギーが１００ｍＪ以上とされている。従って、電気エネルギーにより火花放電間隙３３において単に火花（火炎）を生成するだけでなく、電気エネルギーによって、火花（火炎）に対して先端側（燃焼室の中心側）に向けた拡散力を与えることができる。

そして、このような火花（火炎）に対して先端側に向けた拡散力が与えられる構成において、本実施形態では、Ｓ１≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ１＋６０｝／１００］×Ｓ２を満たすように構成されている。従って、接地電極２７による火花（火炎）の先端側に向けた拡散阻害を効果的に抑制することができる。これにより、図６（ａ），（ｂ）に示すように、出力エネルギーを１００ｍＪ以上とすることによる、先端側に向けた拡散力（図６中、黒矢印で示す力）を十分に生かすことができ、火花（火炎）を先端側（燃焼室の中心側）に向けて勢いよく成長させることができる。その結果、優れた着火性を実現することができる。尚、図６では、火花（火炎）の成長を点線で模式的に示す。また、図６中の白抜き矢印は、火花（火炎）の伝播方向を示し、出力エネルギーが１００ｍＪ未満の場合や、面積Ｓ１，Ｓ２が上述の関係式を満たさない場合でも、この白抜き矢印方向に火花（火炎）は伝播する。

さらに、本実施形態では、Ｓ１≦０．８×Ｓ２を満たすように構成されているため、火花放電間隙３３において、中心電極５及び接地電極２７の対向面積を十分に確保することができる。従って、火花放電に伴う中心電極５や接地電極２７の局所的な消耗をより確実に抑制することができ、良好な耐久性を得ることができる。

加えて、本実施形態では、軸線ＣＬ１方向先端側から見たときにおいて、中心軸ＣＬ２が中心電極５の先端面中心からずれた位置に存在している。そのため、接地電極２７のうち中心電極５側に位置する面と当該面に隣接する側面との間の角部（電界強度が高くなり、火花放電の起点となる部位）を中心電極５の先端部に対してより接近させることができる。従って、火花放電の起点となる部位をより多く形成することができ、中心電極５や接地電極２７の局所的な消耗を一層効果的に抑制することができる。その結果、耐久性の更なる向上を図ることができる。
〔第２実施形態〕
次いで、第２実施形態について、上記第１実施形態との相違点を中心に説明する。上記第１実施形態において、火花放電間隙３３は、中心電極５の先端部と接地電極２７の先端部との間に形成されている。これに対して、本第２実施形態では、図７に示すように、火花放電間隙４３が、接地電極３７の先端部に設けられた突出部３８と、中心電極５との間に形成されている。尚、突出部３８は、耐消耗性に優れる金属（例えば、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｗ、Ｐｄ、又は、これらの少なくとも一種を主成分とする合金など）により構成されており、抵抗溶接により接地電極３７の先端部に接合されている。

さらに、本第２実施形態において、突出部３８は、接地電極３７のうち中心電極５側に位置する面よりも中心電極５側に突出している。そのため、火花放電間隙４３の大きさ（中心電極５及び突出部３８間の最短距離）をＧ３（ｍｍ）とし、接地電極３７と中心電極５の先端部との間の最短距離をＧ４（ｍｍ）としたとき、Ｇ３＜Ｇ４を満たすものとなっている。また、本第２実施形態では、Ｇ３＜２．０、及び、Ｇ４＜２．０を満たすように構成されている。

加えて、図８に示すように、軸線ＣＬ１と直交する平面ＶＳに、中心電極５の先端部と接地電極３７と突出部３８とを軸線ＣＬ１に沿って投影する。そして、中心電極５の投影領域５Ｐ（図８中、斜線を付した部位）の面積をＳ２（ｍｍ²）とし、中心電極５の投影領域５Ｐのうち突出部３８の投影領域３８Ｐ（図８中、格子模様を付した部位）を除いた領域の面積をＳ３（ｍｍ²）とし、中心電極５の投影領域５Ｐのうち接地電極３７の投影領域３７Ｐ（図８中、散点模様を付した部位）及び突出部３８の投影領域３８Ｐを除いた領域の面積をＳ４（ｍｍ²）とする。このとき、Ｓ３≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ３＋６０｝／１００］×Ｓ２、及び、Ｓ４≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ４＋６０｝／１００］×Ｓ２を満たすように構成されている。すなわち、火花放電間隙４３の大きさＧ３が小さい（つまり、軸線ＣＬ１方向先端側に向けた火炎の拡散が突出部３８により阻害されやすい）ほど、中心電極５の先端面と突出部３８との対向面積が小さくなるように構成されている。また、前記最短距離Ｇ４が小さいほど（つまり、軸線ＣＬ１方向先端側に向けた火炎の拡散が接地電極３７及び突出部３８により阻害されやすい）ほど、中心電極５の先端面と接地電極３７及び突出部３８との対向面積が小さくなるように構成されている。

さらに、本第２実施形態では、Ｓ３≦０．８×Ｓ２、及び、Ｓ４≦０．８×Ｓ２のうちの少なくとも一方（本実施形態では、双方）を満たすように構成されている。

以上、本第２実施形態によれば、基本的には上記第１実施形態と同一の作用効果が奏されることとなる。すなわち、図９に示すように、出力エネルギーを１００ｍＪ以上とすることで、火花（火炎）に対して先端側に向けた拡散力（図９中、黒矢印で示す力）を与えつつ、面積Ｓ３，Ｓ４が前記式を満たすように構成することで、拡散力を十分に生かすことができ、火花（火炎）を先端側（燃焼室の中心側）に向けて勢いよく成長させることができる。その結果、優れた着火性を実現することができる。尚、図９では、火花（火炎）の成長を点線で模式的に示す。また、図９中の白抜き矢印は、火花（火炎）の伝播方向を示し、出力エネルギーが１００ｍＪ未満の場合や、面積Ｓ１，Ｓ２が上述の関係式を満たさない場合でも、白抜き矢印の方向に火花（火炎）は伝播する。

また、Ｓ３≦０．８×Ｓ２を満たすように構成されているため、火花放電間隙４３において、突出部３８及び中心電極５の対向面積を十分に確保することができる。従って、火花放電に伴う突出部３８や中心電極５の局所的な消耗をより確実に抑制することができ、耐久性の向上を図ることができる。

さらに、Ｓ４≦０．８×Ｓ２を満たすように構成されているため、突出部３７及び接地電極２７と中心電極５との対向面積を十分に確保することができる。その結果、接地電極２７や中心電極５の局所的な消耗を抑制することができ、耐久性をより一層向上させることができる。

次いで、上記実施形態によって奏される作用効果を確認すべく、１の火花放電を生じさせる際の電源からの出力エネルギー（ｍＪ）、火花放電間隙の大きさＧ１（ｍｍ）、及び、中心電極の先端面の外径（ｍｍ）を種々異なるものとするとともに、前記面積Ｓ２（ｍｍ²）に対する前記面積Ｓ１（ｍｍ²）の割合（Ｓ１／Ｓ２；以下、「面積割合」と称す）を種々変更した点火システムのサンプルを作製し、各サンプルについて、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、サンプルの点火プラグを１．５Ｌ、４気筒エンジンに取付けた上で、吸引負圧−３５０ｍｇで１６００ｒｐｍにて動作させた。そして、空燃比（Ａ／Ｆ）を徐々に増大させていき（燃料を徐々に薄くしていき）、失火の発生したサイクルが１０００サイクル当たり１０サイクル以上となったときの空燃比を限界空燃比として特定した。その上で、各サンプルにおいて、面積Ｓ１を０ｍｍ²としたサンプルにおける限界空燃比を基準として、前記基準からの限界空燃比の向上量（空燃比向上代）を算出した。尚、空燃比向上代が大きいサンプルほど、燃料が薄い状態でも失火が起きにくいものであり、着火性に優れるといえる。

図１０に、火花放電間隙の大きさＧ１を１．５ｍｍとし、出力エネルギーを１００ｍＪとした上で、中心電極の先端面の外径、及び、面積割合を変更した場合における試験結果を示し、図１１に、火花放電間隙の大きさＧ１を１．５ｍｍとし、中心電極の先端面の外径を１．５ｍｍとした上で、出力エネルギー、及び、面積割合を変更した場合における試験結果を示す。また、図１２に、火花放電間隙の大きさＧ１を１．１ｍｍとし、出力エネルギーを１００ｍＪとした上で、中心電極の先端面の外径、及び、面積割合を変更した場合における試験結果を示し、図１３に、火花放電間隙の大きさＧ１を１．１ｍｍとし、中心電極の先端面の外径を１．５ｍｍとした上で、出力エネルギー、及び、面積割合を変更した場合における試験結果を示す。さらに、図１４に、火花放電間隙の大きさＧ１を０．５ｍｍとし、出力エネルギーを１００ｍＪとした上で、中心電極の先端面の外径、及び、面積割合を変更した場合における試験結果を示し、図１５に、火花放電間隙の大きさＧ１を０．５ｍｍとし、中心電極の先端面の外径を１．５ｍｍとした上で、出力エネルギー、及び、面積割合を変更した場合における試験結果を示す。

尚、図１０，１２，１４においては、中心電極の先端面の外径を０．６ｍｍとしたサンプルの試験結果を丸印でプロットし、中心電極の先端面の外径を１．０ｍｍとしたサンプルの試験結果を三角印でプロットし、中心電極の先端面の外径を１．５ｍｍとしたサンプルの試験結果を正方形印でプロットした。また、図１１，１３，１５においては、出力エネルギーを４０ｍＪとしたサンプルの試験結果を丸印でプロットし、出力エネルギーを８０ｍＪとしたサンプルの試験結果を三角印でプロットし、出力エネルギーを１００ｍＪとしたサンプルの試験結果を正方形印でプロットし、出力エネルギーを２００ｍＪとしたサンプルの試験結果を菱形印でプロットした。

図１０及び図１１に示すように、火花放電間隙の大きさＧ１を１．５ｍｍとしたサンプルにおいては、出力エネルギーを１００ｍＪ以上としたときに、面積割合を１５％以上とすることで、着火性が向上することが分かった。また、図１２及び図１３に示すように、火花放電間隙の大きさＧ１を１．１ｍｍとしたサンプルにおいては、出力エネルギーを１００ｍＪ以上としたときに、面積割合を２７％以上とすることで、着火性が向上することが確認された。さらに、図１４及び図１５に示すように、火花放電間隙の大きさＧ１を０．５ｍｍとしたサンプルにおいては、出力エネルギーを１００ｍＪ以上としたときに、面積割合を４５％以上とすることで、着火性が向上することが明らかとなった。

そして、得られた試験結果に基づき、出力エネルギーを１００ｍＪ以上としたときにおいて、着火性を向上させることができる面積割合の最小値を確認したところ、図１６に示すように、火花放電間隙の大きさＧ１をｘとし、面積割合をｙとしたとき、ｙ≧−３０ｘ＋６０を満たすことで、着火性が向上することが分かった。すなわち、出力エネルギーを１００ｍＪ以上とした上で、Ｓ１≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ１＋６０｝／１００］×Ｓ２を満たすことにより、着火性が向上することが明らかとなった。これは、次の（１）及び（２）が相乗的に作用することで、火花（火炎）が軸線方向先端側（燃焼室の中心側）に向けて勢いよく成長したためであると考えられる。
（１）出力エネルギーを１００ｍＪ以上としたことで、電気エネルギーにより火花（火炎）に対して軸線方向先端側（燃焼室の中心側）に向けた拡散力が与えられる状態となったこと。
（２）Ｓ１≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ１＋６０｝／１００］×Ｓ２としたことで、火花（火炎）の軸線方向先端側に向けた拡散が、接地電極によって阻害されにくくなったこと。

また、上記の考えに基づいて、接地電極に突出部を設けた点火システムにおいては、突出部及び中心電極間に形成された火花放電間隙の大きさＧ３（ｍｍ）と、前記面積Ｓ３（ｍｍ²）とが、Ｓ３≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ３＋６０｝／１００］×Ｓ２を満たすように構成することで、火花（火炎）の軸線方向先端側に向けた拡散が、突出部によって阻害されにくくなると考えられる。さらに、接地電極及び中心電極間の最短距離Ｇ４（ｍｍ）と、前記面積Ｓ４（ｍｍ²）とが、Ｓ４≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ４＋６０｝／１００］×Ｓ２を満たすように構成することで、火花（火炎）の軸線方向先端側に向けた拡散が、突出部や接地電極によって阻害されにくくなると考えられる。従って、Ｓ３≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ３＋６０｝／１００］×Ｓ２、及び、Ｓ４≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ４＋６０｝／１００］×Ｓ２を満たすことで、火花（火炎）を軸線方向先端側（燃焼室の中心側）に向けて勢いよく成長させることができ、良好な着火性を得ることができると考えられる。

上記試験の結果より、接地電極及び中心電極間に火花放電間隙が形成された点火システムにおいては、着火性の向上を図るべく、１の火花放電（１サイクル中の火花放電）を生じさせる際の電源の出力エネルギーを１００ｍＪ以上とするとともに、Ｓ１≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ１＋６０｝／１００］×Ｓ２を満たすように構成することが好ましいといえる。

また、接地電極の突出部が設けられ、突出部及び中心電極間に火花放電間隙が形成された点火システムにおいては、着火性の向上を図るべく、１の火花放電（１サイクル中の火花放電）を生じさせる際の電源の出力エネルギーを１００ｍＪ以上とするとともに、Ｓ３≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ３＋６０｝／１００］×Ｓ２、及び、Ｓ４≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ４＋６０｝／１００］×Ｓ２を満たすように構成することが好ましいといえる。

次に、前記面積割合（Ｓ１／Ｓ２）を種々変更した点火システムのサンプルについて、耐久性評価試験を行った。耐久性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、サンプルの点火プラグを所定のチャンバーに取付けた上で、チャンバー内を窒素雰囲気とするとともに、チャンバー内の圧力を０．４ＭＰａに設定した。その上で、印加電圧の周波数を３０Ｈｚとして（すなわち、毎分１８００回の割合で）点火プラグを放電させた。そして、各サンプルについて、火花放電間隙の大きさが初期状態から０．２０ｍｍ以上増大するまでの時間（耐久時間）を測定するとともに、面積Ｓ１を０ｍｍ²としたサンプルにおける耐久時間に対する測定された耐久時間の割合（耐久寿命割合）を算出した。尚、面積Ｓ１を０ｍｍ²としたサンプルは、中心電極及び接地電極の対向面積が最大限確保されるため、耐久性に極めて優れる。従って、耐久寿命割合が１００％に近いサンプルほど（つまり、面積Ｓ１を０ｍｍ²としたサンプルの耐久時間により近い耐久時間となったサンプルほど）、良好な耐久性を有するといえる。図１７に、耐久性評価試験の試験結果を示す。

図１７に示すように、面積割合（Ｓ１／Ｓ２）を８０％以上としたサンプル（つまり、Ｓ１≦０．８×Ｓ２を満たすサンプル）は、耐久寿命割合が９５％以上となり、優れた耐久性を有することが分かった。これは、中心電極及び接地電極の対向面積が十分に確保され、火花放電に伴う中心電極や接地電極の局所的な消耗がより確実に抑制されたためであると考えられる。

また、上記の考えに基づいて、接地電極に突出部を設けた点火システムにおいては、面積割合（Ｓ３／Ｓ２）を８０％以上する（つまり、Ｓ３≦０．８×Ｓ２を満たす）ことで、突出部や中心電極の局所的な消耗を抑制できると考えられる。さらに、面積割合（Ｓ４／Ｓ２）を８０％以上とする（つまり、Ｓ４≦０．８×Ｓ２を満たす）ことで、接地電極及び突出部や中心電極の局所的な消耗を抑制できると考えられる。従って、Ｓ３≦０．８×Ｓ２、及び、Ｓ４≦０．８×Ｓ２のうちの少なくとも一方を満たすことで、良好な耐久性を得ることができ、Ｓ３≦０．８×Ｓ２、及び、Ｓ４≦０．８×Ｓ２の双方を満たすことで、極めて良好な耐久性を得ることができると考えられる。

上記試験の結果より、接地電極及び中心電極間に火花放電間隙が形成された点火システムにおいては、耐久性の向上を図るべく、Ｓ１≦０．８×Ｓ２を満たすように構成することが好ましいといえる。

また、接地電極の突出部が設けられ、突出部及び中心電極間に火花放電間隙が形成された点火システムにおいては、耐久性の向上を図るべく、Ｓ３≦０．８×Ｓ２、及び、Ｓ４≦０．８×Ｓ２のうちの少なくとも一方を満たすことが好ましく、両式を満たすことがより好ましいといえる。

次いで、火花放電間隙の大きさＧ１を１．１ｍｍとし、面積割合（Ｓ１／Ｓ２）を３０％とした上で、軸線と直交する平面に、中心電極の先端部と接地電極の中心軸とを軸線に沿って投影したときにおいて、前記中心軸の投影線が中心電極の投影領域の中心と重なるように構成した点火システムのサンプル（センター配置サンプル）と、前記中心軸の投影線が中心電極の投影領域の中心からずれた位置に存在するように構成した点火システムのサンプル（オフセット配置サンプル）とを作製し、両サンプルについて、上述の耐久性評価試験を行った。その上で、センター配置サンプルにおける耐久時間に対する、オフセット配置サンプルにおける耐久時間の割合（耐久寿命割合）を算出した。図１８に、当該試験の結果を示す。

図１８に示すように、中心軸の投影線が中心電極の投影領域の中心からずれた位置に存在するように構成したオフセット配置サンプルは、より良好な耐久性を有することが分かった。これは、接地電極をずらしたことで、接地電極の中心電極側面と側面との間の角部（電界強度が高くなり、火花放電の起点となる部位）が中心電極の先端部により接近したため、火花放電の起点となる部位がより多く形成され、その結果、中心電極や接地電極の局所的な消耗が効果的に抑制されたためであると考えられる。

上記試験の結果より、耐久性の一層の向上を図るべく、軸線と直交する平面に、中心電極の先端部と接地電極の中心軸とを軸線に沿って投影したときにおいて、前記中心軸の投影線が中心電極の投影領域の中心からずれた位置に存在する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）上記第２実施形態において、接地電極３７及び突出部３８は異なる材料により構成されているが、例えば、接地電極の先端部を変形させることで、接地電極及び突出部を同一の材料により構成してもよい。

（ｂ）上記第２実施形態では、軸線ＣＬ１方向先端側から見たときにおいて、中心電極５の先端部の一部に対して、接地電極３７が重なるように構成されている。これに対して、図１９に示すように、接地電極４４の側面から突出するように突出部４５を構成することで、軸線ＣＬ１方向先端側から見たときにおいて、中心電極５の先端部に突出部４５が重なる一方で、中心電極５の先端部に接地電極４４が重ならないように構成してもよい。

（ｃ）上記実施形態において、接地電極２７，３７は、その幅が中心軸ＣＬ２に沿って一定となるように構成されているが、図２０に示すように、接地電極４６が、先端に向けて徐々に幅が狭くなるテーパ部４７を有するように構成してもよい。このように構成することで、前記面積Ｓ１，Ｓ４をより確実に大きくすることができ、着火性をより確実に向上させることができる。

（ｄ）上記実施形態では、電源５１からの電気エネルギーがディストリビュータを介して各点火プラグ１に供給されるようになっているが、各点火プラグ１ごとに電源５１を設け、１の電源５１から１の点火プラグ１に対して電気エネルギーが供給されるように構成してもよい。

（ｅ）電源５１として、可変エネルギー電源を用いてもよい。この場合において、内燃機関の運転条件が着火性の低下が生じやすい条件であるときには、１の火花放電（１サイクル中の火花放電）を生じさせる際に電源５１から比較的大きなエネルギーが出力されるようにすることで、良好な着火性をより確実に得ることができる。一方で、着火性の低下が生じにくい運転条件であるときには、１の火花放電（１サイクル中の火花放電）を生じさせる際に電源５１から比較的小さなエネルギーが出力されるようにすることで、良好な着火性を維持しつつ、火花放電に伴う中心電極５や接地電極２７等の消耗抑制が図られ、耐久性を向上させることができる。

（ｆ）上記実施形態では、主体金具３の先端部２６に接地電極２７が接合される場合について具体化しているが、主体金具の一部（又は、主体金具に予め溶接してある先端金具の一部）を削り出すようにして接地電極を形成する場合についても適用可能である（例えば、特開２００６−２３６９０６号公報等）。

（ｇ）上記実施形態において、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。例えば、Ｂｉ−ＨＥＸ（変形１２角）形状〔ＩＳＯ２２９７７：２００５（Ｅ）〕等とされていてもよい。

１…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、５Ｐ…（中心電極の投影領域）、２７，３７…接地電極、２７Ｐ，３７Ｐ…（接地電極の）投影領域、３３，４３…火花放電間隙（間隙）、３８…突出部、３８Ｐ…（突出部の）投影領域、５１…電源、１０１…点火システム、ＣＬ１…軸線、ＣＬ２…（接地電極の）中心軸、ＣＰ…（中心電極の投影領域の）中心、ＰＬ…（中心軸の）投影線。

Claims (5)

1. 軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、前記軸孔の先端側に挿設され、先端部が前記絶縁体の先端から突出する中心電極と、前記中心電極の先端部との間で間隙を形成する棒状の接地電極とを有する点火プラグと、
   前記間隙に電気エネルギーを投入する電源とを備え、
   前記電源から前記間隙に電気エネルギーが投入されることで、前記間隙において火花放電を生じさせる点火システムであって、
   １の火花放電を生じさせる際の前記電源の出力エネルギーが１００ｍＪ以上であり、
   前記間隙の大きさをＧ１（ｍｍ）とし、
   前記軸線と直交する平面に、前記中心電極の先端部と前記接地電極とを前記軸線に沿って投影したときにおいて、前記中心電極の投影領域のうち前記接地電極の投影領域と重なる領域を除いた領域の面積をＳ１（ｍｍ²）とし、前記中心電極の投影領域の面積をＳ２（ｍｍ²）としたとき、
   Ｓ１≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ１＋６０｝／１００］×Ｓ２
   Ｇ１＜２．０
   を満たすことを特徴とする点火システム。
2. Ｓ１≦０．８×Ｓ２を満たすことを特徴とする請求項１に記載の点火システム。
3. 軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、前記軸孔の先端側に挿設された中心電極と、前記絶縁体の外周に設けられた主体金具と、前記主体金具の先端部に配置された棒状の接地電極と、前記接地電極の先端部に設けられ、前記中心電極の先端部との間で間隙を形成する突出部とを有する点火プラグと、
   前記間隙に電気エネルギーを投入する電源とを備え、
   前記電源から前記間隙に電気エネルギーが投入されることで、前記間隙において火花放電を生じさせる点火システムであって、
   １の火花放電を生じさせる際の前記電源の出力エネルギーが１００ｍＪ以上であり、
   前記間隙の大きさをＧ３（ｍｍ）とし、
   前記接地電極と前記中心電極の先端部との間の最短距離をＧ４（ｍｍ）とし、
   前記軸線と直交する平面に、前記中心電極の先端部と前記接地電極と前記突出部とを前記軸線に沿って投影したときにおいて、前記中心電極の投影領域の面積をＳ２（ｍｍ²）とし、前記中心電極の投影領域のうち前記突出部の投影領域を除いた領域の面積をＳ３（ｍｍ²）とし、前記中心電極の投影領域のうち前記接地電極の投影領域及び前記突出部の投影領域を除いた領域の面積をＳ４（ｍｍ²）としたとき、
   Ｓ３≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ３＋６０｝／１００］×Ｓ２
   Ｓ４≧［｛−３０（ｍｍ^-1）×Ｇ４＋６０｝／１００］×Ｓ２
   Ｇ３＜２．０
   Ｇ４＜２．０
   を満たすことを特徴とする点火システム。
4. Ｓ３≦０．８×Ｓ２、及び、Ｓ４≦０．８×Ｓ２のうちの少なくとも一方を満たすことを特徴とする請求項３に記載の点火システム。
5. 前記軸線と直交する平面に、前記中心電極の先端部と前記接地電極と前記接地電極の中心軸とを前記軸線に沿って投影したときにおいて、前記接地電極の投影領域の少なくとも一部が前記中心電極の投影領域に重なるとともに、前記中心軸の投影線が前記中心電極の投影領域の中心からずれた位置に存在することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の点火システム。

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