点火プラグおよび点火システム
【課題】プラズマによって燃料を着火する点火プラグにおいて、放電電圧を低下させるとともに、着火性能を向上させる。
【解決手段】点火プラグ１００は、中心電極２０と、中心電極２０を軸孔１２内に保持する絶縁碍子１０と、絶縁碍子１０の先端部に接するように配置され、軸線を中心とした貫通孔３１を有する接地電極３０とを備える。このような点火プラグ１００において、絶縁碍子１０の表面の一部には、中心電極２０と接地電極３０とに接する半導体層６２が形成されている。
【解決手段】点火プラグ１００は、中心電極２０と、中心電極２０を軸孔１２内に保持する絶縁碍子１０と、絶縁碍子１０の先端部に接するように配置され、軸線を中心とした貫通孔３１を有する接地電極３０とを備える。このような点火プラグ１００において、絶縁碍子１０の表面の一部には、中心電極２０と接地電極３０とに接する半導体層６２が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、点火プラグや点火プラグを用いて燃料を点火する点火システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料（混合気）をプラズマによって着火する点火プラグとして、プラズマジェット点火プラグ（特許文献１，２参照）やイグナイタプラグ（特許文献３参照）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２８７６６５号公報
【特許文献２】特開２００８−４５４４９号公報
【特許文献３】特開平３−２１４５８２号公報
【０００４】
例えば、プラズマジェット点火プラグには、その先端部に、中心電極と絶縁碍子とで囲まれた円筒状のキャビティが設けられている。中心電極と接地電極との間で高エネルギの火花放電が生じると、このキャビティの内部は、瞬間的に高熱状態になる。すると、キャビティ内に存在する混合気がイオン化すると同時に急膨張し、プラズマとなってキャビティから火炎状に噴出する。このような火炎状のプラズマは、気筒内に延びるため、混合気との接触面積が大きくなる。そのため、プラズマジェット点火プラグは、火花によって点火を行う通常の点火プラグよりも、着火性に優れるという特徴がある。
【０００５】
ところが、従来のプラズマジェット点火プラグは、プラズマ噴出前に中心電極と接地電極との間で火花放電を生じさせるために、比較的高い放電電圧が要求された。そのため、発生する電気ノイズが大きくなるという問題や、キャビティや接地電極の貫通孔（オリフィス）にチャネリングが生じて劣化してしまうという問題があった。
【０００６】
これらの問題を解消するため、例えば、特許文献３に記載のイグナイタプラグでは、中心電極と接地電極との間にソリッドタイプの半導体チップを配置することにより放電電圧を低下させている。しかし、このような構造では、半導体チップと絶縁碍子の界面付近を電流が流れることにより、中心電極と主体金具との間で放電が生じ、失火してしまう場合があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した種々の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、プラズマによって燃料を着火する点火プラグの放電電圧を低下させるとともに、着火性能を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］中心電極と、前記中心電極の軸線方向に延びる軸孔を有し、該軸孔内に前記中心電極を保持する絶縁碍子と、前記絶縁碍子の先端部に接するように配置され、貫通孔を有する接地電極とを備えた点火プラグであって、前記中心電極の先端部は、前記絶縁碍子の先端部よりも後端側に位置しており、前記絶縁碍子の表面の一部に、前記中心電極と前記接地電極とに接する半導体層が形成されていることを特徴とする点火プラグ。
【００１０】
このような点火プラグであれば、絶縁碍子の表面に中心電極と接地電極とを結ぶ半導体層が形成されているので、放電電圧を低下させることができる。そのため、電気ノイズの発生や、チャネリングによる劣化を抑制することができる。また、絶縁碍子の表面に半導体層が形成されているので、この部分での放電が促進され、中心電極と主体金具との間で放電されることが抑制される。この結果、燃料への着火性を高めることが可能になる。また、このような点火プラグであれば、中心電極と絶縁碍子の軸孔とで囲まれた部分に、プラズマが発生するキャビティ（凹部）を形成することができる。
【００１１】
［適用例２］適用例１に記載の点火プラグであって、前記接地電極の前記絶縁碍子側の面の少なくとも一部が、前記半導体層を介して前記絶縁碍子の先端部に接する点火プラグ。このような点火プラグであれば、半導体層が、絶縁碍子と接地電極との接触面に入り込む構造となるので、接地電極の貫通孔が劣化によって拡径したとしても、中心電極と接地電極とを確実に半導体層によって接続することができる。
【００１２】
［適用例３］適用例２に記載の点火プラグであって、前記接地電極の、前記半導体層を介して前記絶縁碍子の先端部に接する部分が、前記貫通孔の内周から外周側へ０．１ｍｍ以上存在する点火プラグ。このような点火プラグであれば、接地電極の貫通孔が劣化によって拡径したとしても、半導体層と接地電極との接続性を十分に確保することができる。
【００１３】
［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の点火プラグであって、前記半導体層は、前記半導体層の表面から前記絶縁碍子の内部に向かうほど電気伝導率が低くなる性質を有する点火プラグ。このような点火プラグであれば、半導体層の表面において放電がなされる確率をより高めることができる。
【００１４】
［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の点火プラグであって、前記中心電極と前記接地電極との間の電極間抵抗値が１×１０１〜１×１０６Ωである点火プラグ。このような点火プラグであれば、中心電極と接地電極との間において放電がなされる確率を高めることができる。
【００１５】
［適用例６］適用例１ないし適用例５のいずれかに記載の点火プラグであって、前記半導体層は、半導体を前記絶縁碍子の表面の一部に拡散させることで形成されている点火プラグ。このような構成であれば、比較的容易に半導体層を形成することができる。
【００１６】
［適用例７］適用例１ないし適用例６のいずれかに記載の点火プラグであって、前記半導体層は、半導体を前記絶縁碍子の表面の一部に複数回焼結することで形成されている点火プラグ。このような構成であれば、比較的容易に半導体層を形成することができる。
【００１７】
［適用例８］適用例１ないし適用例７のいずれかに記載の点火プラグであって、前記半導体層は、酸化物半導体を含有する点火プラグ。酸化物半導体としては、例えば、酸化銅や酸化鉄がある。また、酸化物半導体に替えて、シリコンなどのIV族半導体を用いることも可能である。
【００１８】
［適用例９］適用例１ないし適用例８のいずれかに記載の点火プラグにおいて、前記半導体層の後端部は、前記中心電極の先端部の外周面に接している構造とすることが可能である。
【００１９】
［適用例１０］適用例１ないし適用例９のいずれかに記載の点火プラグであって、前記接地電極の貫通孔の直径は、前記絶縁碍子の軸孔の直径以上の大きさである点火プラグ。このような構成であれば、プラズマの噴出を接地電極によって塞ぐことがないので、着火性能を向上させることができる。
【００２０】
［適用例１１］前記点火プラグは、プラズマジェット点火プラグである適用例１ないし適用例１０のいずれかに記載の点火プラグ。なお、本発明の点火プラグは、ガソリンエンジン用のプラズマジェット点火プラグ以外にも、ガスエンジンやガスタービンエンジン用のイグナイタプラグに対して適用することも可能である。
【００２１】
［適用例１２］燃料を点火する点火システムであって、適用例１ないし適用例１１のいずれかに記載の点火プラグと、前記点火プラグの前記中心電極または前記接地電極に対して、昇圧速度が、１×１０１０［Ｖ／秒］以上の電圧を印加する点火装置とを備える点火システム。このような点火システムによって点火プラグに電圧を印加すれば、半導体層の存在によって電極間抵抗値が低下していても、中心電極と接地電極との間で火花放電を確実に生じさせることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態としてのプラズマジェット点火プラグ１００の構造を示す部分断面図である。
【図２】プラズマジェット点火プラグ１００の先端部分を拡大した断面図である。
【図３】半導体層６２の電気的特性を示すグラフである。
【図４】点火システム１の概略構成を示す図である。
【図５】点火装置３２０がプラズマジェット点火プラグ１００に対して点火を行わせる際に印加する電圧波形の一例を示す図である。
【図６】一般的な点火プラグを点火させるための電圧波形の一例を比較例として示す図である。
【図７】着火性能評価実験の実験結果を示す図である。
【図８】各種昇圧速度における放電実験の実験結果を示す図である。
【図９】放電電圧評価実験の実験結果を示す図である。
【図１０】接触長評価実験の実験結果を示す図である。
【図１１】本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００によるプラズマの噴出例を示す図である。
【図１２】従来の沿面放電タイプのイグナイタプラグによってプラズマが発生した様子を示す図である。
【図１３】半導体層６２が、中心電極２０の側面に接するように配置された例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ次の順序で説明する。
Ａ．プラズマジェット点火プラグの構造：
Ｂ．点火システムの概略構成：
Ｃ．実施例：
【００２４】
Ａ．プラズマジェット点火プラグの構造：
図１は、本発明の一実施形態としてのプラズマジェット点火プラグ１００の構造を示す部分断面図である。また、図２は、プラズマジェット点火プラグ１００の先端部分を拡大した断面図である。なお、図１，２において、プラズマジェット点火プラグ１００の軸線Ｏ方向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。
【００２５】
図１に示すように、プラズマジェット点火プラグ１００は、絶縁碍子１０と、この絶縁碍子１０を保持する主体金具５０と、絶縁碍子１０内に軸線Ｏ方向に保持された中心電極２０と、主体金具５０の先端部５９に溶接された接地電極３０と、絶縁碍子１０の後端部に設けられた端子金具４０とから構成されている。
【００２６】
絶縁碍子１０は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成され、軸線Ｏ方向に軸孔１２を有する筒状の絶縁部材である。軸線Ｏ方向の略中央には外径の最も大きな鍔部１９が形成されており、これより後端側には後端側胴部１８が形成されている。また、鍔部１９より先端側には後端側胴部１８より外径の小さな先端側胴部１７と、その先端側胴部１７よりも先端側で先端側胴部１７よりも更に外径の小さな脚長部１３とが形成されている。この脚長部１３と先端側胴部１７との間は段状に形成されている。
【００２７】
図１に示すように、軸孔１２のうち脚長部１３の内周にあたる部分は、先端側胴部１７、鍔部１９および後端側胴部１８の内周にあたる部分よりも縮径された電極収容部１５として形成されている。この電極収容部１５の内部には中心電極２０が保持される。また、軸孔１２は電極収容部１５の先端側において内周が更に縮径されており、先端小径部６１として形成されている。そして、先端小径部６１の内周は絶縁碍子１０の先端面１６に連続し、軸孔１２の開口部１４を形成している。
【００２８】
中心電極２０は、インコネル（商標名）６００または６０１等のＮｉ系合金等で形成された円柱状の電極棒で、内部に熱伝導性に優れる銅等からなる金属芯２３を有している。そして先端部２１には、貴金属やタングステンを主成分とする合金からなる円盤状の電極チップ２５が、中心電極２０と一体となるように溶接されている。なお、本実施形態では、中心電極２０と一体になった電極チップ２５も含め「中心電極」と称する。
【００２９】
中心電極２０の後端側は鍔状に拡径され、この鍔状の部分が軸孔１２内において電極収容部１５の起点となる段状の部位に当接されており、電極収容部１５内で中心電極２０が位置決めされている。また、中心電極２０の先端部２１の先端面２６（より具体的には中心電極２０の先端部２１にて中心電極２０と一体に接合された電極チップ２５の先端面２６）の周縁が、径の異なる電極収容部１５と先端小径部６１との間の段部に当接された状態となっている。この構成により、軸孔１２の先端小径部６１の内周面と、中心電極２０の先端面２６とで包囲された容積の小さな放電空間が形成されている。この放電空間はキャビティ６０と称される。接地電極３０と中心電極２０との間の火花放電間隙において行われる火花放電は、このキャビティ６０内の空間や壁面を通過する。そして、この火花放電によって絶縁破壊された後に印加されるエネルギによって、キャビティ６０内でプラズマが形成される。このプラズマは、開口部１４の開口端１１から噴出される。
【００３０】
図１に示すように、中心電極２０は、軸孔１２の内部に設けられた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、後端側の端子金具４０に電気的に接続されている。このシール体４により、中心電極２０および端子金具４０は、軸孔１２内で固定されると共に導通される。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）が接続される。この高圧ケーブルを介して、図４に示した点火装置３２０から電力が端子金具４０に印加される。
【００３１】
主体金具５０は、内燃機関３００のエンジンヘッドにプラズマジェット点火プラグ１００を固定するための円筒状の金具であり、絶縁碍子１０を取り囲むようにして保持している。主体金具５０は鉄系の材料より形成され、図示外のプラグレンチが嵌合する工具係合部５１と、内燃機関３００の上部に設けられたエンジンヘッドに螺合するねじ部５２とを備えている。
【００３２】
主体金具５０の工具係合部５１より後端側には加締部５３が設けられている。工具係合部５１から加締部５３にかけての主体金具５０と、絶縁碍子１０の後端側胴部１８との間には円環状のリング部材６，７が介在されており、更に両リング部材６，７の間にタルク（滑石）９の粉末が充填されている。そして、加締部５３を加締めることにより、リング部材６，７およびタルク９を介して絶縁碍子１０が主体金具５０内で先端側に向け押圧される。これにより、図１に示すように、脚長部１３と先端側胴部１７との間の段状の部位が、主体金具５０の内周面に段状に形成された係止部５６に環状のパッキン８０を介して支持されて、主体金具５０と絶縁碍子１０とが一体にされる。このパッキン８０によって、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密は保持され、燃焼ガスの流出が防止される。また、図１に示すように、工具係合部５１とねじ部５２との間には鍔部５４が形成されており、ねじ部５２の後端側近傍、すなわち鍔部５４の座面５５にはガスケット５が嵌挿されている。
【００３３】
主体金具５０の先端部５９には接地電極３０が設けられている。接地電極３０は耐火花消耗性に優れた金属から構成されており、一例としてインコネル（商標名）６００または６０１等のＮｉ系合金が用いられる。図１に示すように、接地電極３０は、軸線Ｏを中心とした貫通孔３１（「オリフィス３１」ともいう）を有する円盤状に形成されており、その厚み方向を軸線Ｏ方向に揃え、絶縁碍子１０の先端面１６に当接した状態で、主体金具５０の先端部５９の内周面に形成された係合部５８に係合されている。そして先端面３２を主体金具５０の先端面５７に揃えた状態で、外周縁が一周にわたって係合部５８とレーザ溶接され、接地電極３０は主体金具５０と一体に接合されている。接地電極３０の貫通孔３１は、その最小内径が、少なくとも絶縁碍子１０の開口部１４（開口端１１）の内径以上の大きさを有するように形成されており、この貫通孔３１を介し、キャビティ６０の内部と外気とが連通されるように構成されている。
【００３４】
本実施形態では、図２に示すように、中心電極２０の先端面２６と接地電極３０とを接続するように、キャビティ６０を構成する絶縁碍子１０の内表面（内壁）に、半導体層６２が形成されている。半導体層６２は、絶縁碍子１０の表面の一部に酸化物半導体が拡散されることで形成されている。具体的には、泥漿状態の酸化物半導体（例えば、酸化鉄や酸化銅）を絶縁碍子１０のキャビティ内壁および先端面１６の一部に塗布して焼結させる処理を複数回（例えば、４〜５回）、繰り返すことにより半導体層６２が形成されている。
【００３５】
本実施形態の半導体層６２は、その後端部が、中心電極２０の先端面に立接しており、その先端部は、絶縁碍子１０の先端面１６と接地電極３０との接触面に入り込むように形成されている。そのため、接地電極３０の絶縁碍子１０側の面の一部は、半導体層６２を介して、絶縁碍子１０の先端部に接している。このように、絶縁碍子１０の先端面１６と接地電極３０との間にも半導体層６２が形成されていれば、キャビティ６０からのプラズマの噴出に伴って、オリフィス３１がチャネリングによって徐々に拡径されたとしても、中心電極２０と接地電極３０との間を確実に半導体層６２で接続することが可能になる。なお、本実施形態では、半導体層６２を介して絶縁碍子１０の先端面１６に接する接地電極３０の部分は、貫通孔３１の内周から外周側に向けて０．１ｍｍ以上存在することとした。以下では、かかる数量のことを、「接触長Ｃ」という。
【００３６】
図３は、半導体層６２の電気的特性を示すグラフである。このグラフの横軸は、半導体層６２の表面から絶縁碍子１０の内部へ向けた半導体層６２の厚み方向への深さを示し、縦軸は、その深さにおける半導体層６２の抵抗値を示している。このグラフに示すように、本実施形態の半導体層６２は、その表面付近は、０．１ＭΩの抵抗値を有しているが、０．２ｍｍの深さでは、１００ＭΩの抵抗値を有している。つまり、半導体層６２は、その表面から絶縁碍子１０の内部へ行くほど電気伝導率が低くなることになる。このような特性を有する半導体層６２をキャビティ６０の内壁に形成すれば、より電気伝導率の高い半導体層６２表面での放電が促進されるので、中心電極２０から主体金具５０へ直接放電されてしまうことが抑制され、キャビティ６０内での火花放電を促進することができる。この結果、プラズマジェット点火プラグ１００の着火率を向上させることが可能になり、また、絶縁碍子１０の劣化を抑制することが可能になる。
【００３７】
Ｂ．点火システムの概略構成：
次に、プラズマジェット点火プラグ１００の点火を制御する点火システム１の概要について説明する。
図４は、点火システム１の概略構成を示す図である。図４に示すように、点火システム１は、プラズマジェット点火プラグ１００を備える内燃機関３００と、プラズマジェット点火プラグ１００の点火を行う点火装置３２０と、内燃機関３００の運転状況を検出する各種センサと、これらのセンサが接続されたＥＣＵ（Engine Control Unit）３１０とによって構成されている。
【００３８】
内燃機関３００には、空燃比を検出するＡ／Ｆセンサ３０１や、ノッキングの発生を検出するノックセンサ３０２、冷却水の温度を検出する水温センサ３０３、クランク角を検出するクランク角センサ３０４、スロットルの開度を検出するスロットルセンサ３０５、ＥＧＲバルブの開度を検出するＥＧＲバルブセンサ３０６、が取り付けられている。
【００３９】
これらのセンサは、ＥＣＵ３１０に接続されている。ＥＣＵ３１０は、これらのセンサによって検出した内燃機関３００の運転状況から、プラズマジェット点火プラグ１００の点火タイミングを決定する。そして、決定された点火タイミングに基づいて、点火装置３２０に点火信号を出力する。
【００４０】
点火装置３２０は、ＥＣＵ３１０から受信した点火信号に基づいて、プラズマジェット点火プラグ１００の点火制御を行う。具体的には、ＥＣＵ３１０から点火信号を受信すると、プラズマジェット点火プラグ１００に高電圧を印加して火花放電を発生させ、火花放電間隙間を絶縁破壊する。そして、更なるエネルギを絶縁破壊後の火花放電間隙に印加する。こうすることで、プラズマジェット点火プラグ１００からプラズマが噴出されて混合気への着火が行われる。点火装置３２０の具体的構成は、例えば、特開２００７−２８７６６５に開示されている。
【００４１】
図５は、点火装置３２０がプラズマジェット点火プラグ１００に対して点火を行わせる際に印加する電圧波形の一例を示す図である。一方、図６は、一般的な点火プラグを点火させるための電圧波形の一例を比較例として示す図である。図６に示すように、一般的な点火プラグでは、０．５２×１０１０（ボルト／秒、以下、「Ｖ／Ｓ」と記載する）程度の昇圧速度で電圧を印加することにより、火花放電させることが可能である。これに対して、本実施形態の点火装置３２０は、図５に示すように、６．２×１０１０（Ｖ／Ｓ）の昇圧速度で電圧を印加する。つまり、従来に比べて、約１０倍の昇圧速度で電圧を印加するのである。このような昇圧速度で電圧を印加すれば、半導体層６２の存在によって中心電極と接地電極との間の電極間抵抗値が低くなることにより、実際の印加電圧が低下しても、火花放電のために要求される電圧を十分に供給することが可能になる。
【００４２】
Ｃ．実施例：
上述した実施形態に基づき製造されたプラズマジェット点火プラグ１００に対して、本発明の効果を確認するための種々の実験を行った。以下、これらの実験の結果を示す。
【００４３】
（Ｃ１）着火性能評価実験：
まず、電極間抵抗値の異なる複数のプラズマジェット点火プラグ１００を、実施例１〜６として用意し、これらのプラズマジェット点火プラグ１００の着火性能を評価する実験を行った。
図７は、本評価実験における各実施例の実験結果を示す図である。各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との間の抵抗値を抵抗計で測定した電極間抵抗値（半導体層６２表面における抵抗値）は、実施例１は１０Ω、実施例２は１００Ω、実施例３は１ｋΩ、実施例４は１０ｋΩ、実施例５は１００ｋΩ、実施例６は１ＭΩである。本実験では、それぞれの実施例について、大気圧の環境条件下と＋１ＭＰａの環境条件下とで、それぞれ２０回放電させ、そのうち着火できた回数の割合を求めている。なお、本実験では、ソリッドタイプの半導体を中心電極と接地電極との間に有するイグナイタプラグを比較例として用意し、このイグナイタプラグについても同様の実験を行った。このイグナイタプラグの電極間抵抗値は１ＭΩであった。
【００４４】
図７に示すように、本実験では、比較例のイグナイタプラグは、大気圧条件下では９５％の着火割合となったものの、＋１ＭＰａ条件下では４０％という低い着火割合となった。ソリッドタイプの半導体を有するイグナイタプラグは、プラグ先端周囲の圧力が高いと、放電が起こりやすい部分で放電が起こることが知られている。そのため、＋１ＭＰａという高圧条件下では、中心電極から接地電極に放電せず、半導体チップの内部あるいは半導体チップと絶縁碍子との界面を通じて、中心電極から主体金具に放電することにより、その着火割合が低くなったと考えられる。
【００４５】
これに対して、実施例１〜６のすべてが、大気圧の条件下および＋１ＭＰａの条件下で、１００％の割合で着火させることが可能であった。これは、各実施例の半導体層６２が、絶縁碍子１０の内部へ行くほど電気伝導率が低くなるため、高圧条件下でも半導体層６２の表面、すなわちキャビティ６０内で放電されることが促進されると考えられるからである。つまり、中心電極２０と接地電極３０との間に半導体層６２を配置するだけでもキャビティ６０内での放電は促進されるが、更に、絶縁碍子１０の内壁に半導体を拡散して半導体層６２を形成すれば、絶縁碍子１０の内部へ行くほど電気伝導率が低くなり、半導体層６２表面での放電が促進されるので、気筒内のような高圧条件下においても、より確実に混合気を着火させることが可能になるのである。
【００４６】
（Ｃ２）各種昇圧速度における放電実験：
続いて、上述した実施例１〜６のプラズマジェット点火プラグ１００について、印加する電圧の昇圧速度を種々変更して放電の有無を確認する実験を行った。本実験では、各実施例に対して、０．０１×１０１０（Ｖ／Ｓ）、０．１×１０１０（Ｖ／Ｓ）、１×１０１０（Ｖ／Ｓ）、１０×１０１０（Ｖ／Ｓ）、の各昇圧速度で電圧を印加し、放電の有無を確認した。
【００４７】
図８は、各昇圧速度における放電有無の結果を示す図である。図示するように、昇圧速度が、０．１×１０１０（Ｖ／Ｓ）以下では、どの実施例も放電しなかったが、昇圧速度が、１×１０１０（Ｖ／Ｓ）以上であれば、すべての実施例でも放電が確認された。つまり、中心電極２０と接地電極３０との間に半導体層６２を配置した場合には、少なくとも、１×１０１０（Ｖ／Ｓ）の昇圧速度で電圧を印加すれば、中心電極２０と接地電極３０との間に放電を生じさせることが可能になると考察される。
【００４８】
（Ｃ３）放電電圧評価実験：
次に、上述した各実施例の放電電圧を測定する実験を行った。この実験結果を図９に示す。この図９中、１０ＭΩおよび１００ＭΩの電極間抵抗値を有する点火プラグは、半導体層６２を有しない従来の点火プラグである。１００ＭΩの抵抗値を有する点火プラグは、ほぼ新品のプラグであり、１０ＭΩの抵抗値を有するプラグは、ある程度の使用を重ねたプラグである。一般に、使用によって電極間にカーボンが堆積した状態のプラグであれば、１０ＭΩ程度の抵抗値を有することになる。
【００４９】
図９に示すように、実施例１〜６の放電電圧は、０．５〜１．２ｋＶ程度であり、従来の点火プラグの放電電圧（２〜３ｋＶ）よりも１／２ないし１／６程度の低い電圧で放電させることが可能であった。つまり、上記実施形態のように、中心電極２０と接地電極３０との間に半導体層６２を形成すれば、半導体層６２を有しない点火プラグよりも低い電圧で混合気を着火させることが可能になるのである。この結果、高電圧の印加による電気ノイズの発生が抑制され、更に、キャビティ６０やオリフィス３１にチャネリングが生じることが抑制されることになる。
【００５０】
なお、本実験では、電極間抵抗値が１Ωのプラグも用意したが、これは放電させることができなかった。抵抗値が低すぎるために、上述した昇圧速度によっても火花放電に必要な電力が供給できなかったためである。
【００５１】
（Ｃ４）接触長評価実験：
最後に、半導体層６２を介して絶縁碍子１０の先端面１６に接する接地電極３０の接触長Ｃについて評価実験を行った。この実験結果を図１０に示す。この実験では、接地電極３０の厚みを０．５ｍｍ、接地電極３０の貫通孔３１の孔径を１．６ｍｍ、キャビティ６０の孔径を１．６ｍｍ、絶縁碍子１０の先端面１６からのキャビティ６０の深さを２．０ｍｍ、絶縁碍子１０の先端面１６の外径を５．５ｍｍ、電極間抵抗値を１００Ωとし、接触長Ｃをそれぞれ、０ｍｍ、０．１ｍｍ、０．５ｍｍ、とした３種類のプラズマジェット点火プラグ１００を用意した。そして、これらのプラズマジェット点火プラグ１００について、環境圧力を＋０．２ＭＰａ、環境温度を常温として、立ち上がり速度が６．２×１０１０（Ｖ／Ｓ）、放電エネルギが１Ｊの電源を用いて、１０００回および５０００回の放電を行った際の放電電圧をそれぞれ測定した。なお、本実験において、接触長Ｃが０ｍｍとは、キャビティ６０の内壁には半導体層６２が形成されているが、半導体層６２と接地電極３０とは接触していない状態のことをいう。
【００５２】
この実験によれば、接触長Ｃが０ｍｍの場合には、放電回数が少ないうちは５ｋＶ程度の電圧で放電可能であった。しかし、放電を繰り返し、放電回数が１０００回、５０００回となると、図１０に示すように、放電させることができず失火することが確認された。これに対して、接触長Ｃが０．１ｍｍの場合には、１０００回放電後において約１．８ｋＶの電圧で放電が可能であり、５０００回放電後において約３．５ｋＶの電圧で放電が可能であった。また、接触長Ｃが０．５ｍｍの場合には、１０００回放電後において約０．８ｋＶの電圧で放電が可能であり、５０００回放電後において約１．６ｋＶの電圧で放電可能であった。つまり、接触長Ｃが０．１ｍｍ以上あれば、１０００回、５０００回と放電を繰り返した後でも、従来の新品の点火プラグの放電電圧（２〜３ｋＶ）と同等以下の電圧によって放電させることが可能になることが確認できた。また、接触長Ｃが０．５ｍｍ以上であれば、５０００回の放電を行った後でも、従来の新品の点火プラグの放電電圧よりも低い電圧で放電させることが可能になることが確認できた。以上より、本実験の結果、接触長Ｃを０．１ｍｍ以上、好ましくは、０．５ｍｍ以上確保することで、放電の繰り返しに伴うキャビティ６０およびオリフィス３１の劣化（特に、チャネリングによるオリフィス３１の拡径）に対する耐久性を向上させつつ、低い電圧で点火プラグ１００の放電が可能になることが確認できた。
【００５３】
（Ｃ５）プラズマの噴出状態：
ここで、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００によるプラズマの噴出例を図１１に示す。図１２には、従来の沿面放電タイプのイグナイタプラグによってプラズマが発生した様子を示している。図１１に示すように、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、１５ｍｍ程度の火炎が発生した。これに対して、従来のイグナイタプラグでは、７ｍｍ程度の火炎の噴出に止まった。つまり、上述した実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００は、従来のイグナイタプラグよりも、大きな火炎を生じさせることが可能になるので、混合気への着火性を高めることが可能になるのである。
【００５４】
以上、本発明の実施形態および種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態や実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。
【００５５】
例えば、図１３に示すように、半導体層６２は、中心電極２０の先端部の外周面に接するように、配置されていてもよい。このような態様であれば、中心電極２０が消耗して短くなったとしても、中心電極２０と半導体層６２との接触を保つことが可能になる。また、上述した実施形態では、内燃機関用のプラズマジェット点火プラグ１００に半導体層６２を形成することとしたが、ガスエンジンやガスタービンエンジン用のイグナイタプラグについても同様に半導体層６２を形成することが可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１…点火システム
１０…絶縁碍子
１２…軸孔
２０…中心電極
３０…接地電極
３１…貫通孔（オリフィス）
４０…端子金具
５０…主体金具
６０…キャビティ
６２…半導体層
１００…プラズマジェット点火プラグ
３００…内燃機関
３０１…Ａ／Ｆセンサ
３０２…ノックセンサ
３０３…水温センサ
３０４…クランク角センサ
３０５…スロットルセンサ
３１０…ＥＣＵ
３２０…点火装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、点火プラグや点火プラグを用いて燃料を点火する点火システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料（混合気）をプラズマによって着火する点火プラグとして、プラズマジェット点火プラグ（特許文献１，２参照）やイグナイタプラグ（特許文献３参照）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２８７６６５号公報
【特許文献２】特開２００８−４５４４９号公報
【特許文献３】特開平３−２１４５８２号公報
【０００４】
例えば、プラズマジェット点火プラグには、その先端部に、中心電極と絶縁碍子とで囲まれた円筒状のキャビティが設けられている。中心電極と接地電極との間で高エネルギの火花放電が生じると、このキャビティの内部は、瞬間的に高熱状態になる。すると、キャビティ内に存在する混合気がイオン化すると同時に急膨張し、プラズマとなってキャビティから火炎状に噴出する。このような火炎状のプラズマは、気筒内に延びるため、混合気との接触面積が大きくなる。そのため、プラズマジェット点火プラグは、火花によって点火を行う通常の点火プラグよりも、着火性に優れるという特徴がある。
【０００５】
ところが、従来のプラズマジェット点火プラグは、プラズマ噴出前に中心電極と接地電極との間で火花放電を生じさせるために、比較的高い放電電圧が要求された。そのため、発生する電気ノイズが大きくなるという問題や、キャビティや接地電極の貫通孔（オリフィス）にチャネリングが生じて劣化してしまうという問題があった。
【０００６】
これらの問題を解消するため、例えば、特許文献３に記載のイグナイタプラグでは、中心電極と接地電極との間にソリッドタイプの半導体チップを配置することにより放電電圧を低下させている。しかし、このような構造では、半導体チップと絶縁碍子の界面付近を電流が流れることにより、中心電極と主体金具との間で放電が生じ、失火してしまう場合があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した種々の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、プラズマによって燃料を着火する点火プラグの放電電圧を低下させるとともに、着火性能を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］中心電極と、前記中心電極の軸線方向に延びる軸孔を有し、該軸孔内に前記中心電極を保持する絶縁碍子と、前記絶縁碍子の先端部に接するように配置され、貫通孔を有する接地電極とを備えた点火プラグであって、前記中心電極の先端部は、前記絶縁碍子の先端部よりも後端側に位置しており、前記絶縁碍子の表面の一部に、前記中心電極と前記接地電極とに接する半導体層が形成されていることを特徴とする点火プラグ。
【００１０】
このような点火プラグであれば、絶縁碍子の表面に中心電極と接地電極とを結ぶ半導体層が形成されているので、放電電圧を低下させることができる。そのため、電気ノイズの発生や、チャネリングによる劣化を抑制することができる。また、絶縁碍子の表面に半導体層が形成されているので、この部分での放電が促進され、中心電極と主体金具との間で放電されることが抑制される。この結果、燃料への着火性を高めることが可能になる。また、このような点火プラグであれば、中心電極と絶縁碍子の軸孔とで囲まれた部分に、プラズマが発生するキャビティ（凹部）を形成することができる。
【００１１】
［適用例２］適用例１に記載の点火プラグであって、前記接地電極の前記絶縁碍子側の面の少なくとも一部が、前記半導体層を介して前記絶縁碍子の先端部に接する点火プラグ。このような点火プラグであれば、半導体層が、絶縁碍子と接地電極との接触面に入り込む構造となるので、接地電極の貫通孔が劣化によって拡径したとしても、中心電極と接地電極とを確実に半導体層によって接続することができる。
【００１２】
［適用例３］適用例２に記載の点火プラグであって、前記接地電極の、前記半導体層を介して前記絶縁碍子の先端部に接する部分が、前記貫通孔の内周から外周側へ０．１ｍｍ以上存在する点火プラグ。このような点火プラグであれば、接地電極の貫通孔が劣化によって拡径したとしても、半導体層と接地電極との接続性を十分に確保することができる。
【００１３】
［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の点火プラグであって、前記半導体層は、前記半導体層の表面から前記絶縁碍子の内部に向かうほど電気伝導率が低くなる性質を有する点火プラグ。このような点火プラグであれば、半導体層の表面において放電がなされる確率をより高めることができる。
【００１４】
［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の点火プラグであって、前記中心電極と前記接地電極との間の電極間抵抗値が１×１０１〜１×１０６Ωである点火プラグ。このような点火プラグであれば、中心電極と接地電極との間において放電がなされる確率を高めることができる。
【００１５】
［適用例６］適用例１ないし適用例５のいずれかに記載の点火プラグであって、前記半導体層は、半導体を前記絶縁碍子の表面の一部に拡散させることで形成されている点火プラグ。このような構成であれば、比較的容易に半導体層を形成することができる。
【００１６】
［適用例７］適用例１ないし適用例６のいずれかに記載の点火プラグであって、前記半導体層は、半導体を前記絶縁碍子の表面の一部に複数回焼結することで形成されている点火プラグ。このような構成であれば、比較的容易に半導体層を形成することができる。
【００１７】
［適用例８］適用例１ないし適用例７のいずれかに記載の点火プラグであって、前記半導体層は、酸化物半導体を含有する点火プラグ。酸化物半導体としては、例えば、酸化銅や酸化鉄がある。また、酸化物半導体に替えて、シリコンなどのIV族半導体を用いることも可能である。
【００１８】
［適用例９］適用例１ないし適用例８のいずれかに記載の点火プラグにおいて、前記半導体層の後端部は、前記中心電極の先端部の外周面に接している構造とすることが可能である。
【００１９】
［適用例１０］適用例１ないし適用例９のいずれかに記載の点火プラグであって、前記接地電極の貫通孔の直径は、前記絶縁碍子の軸孔の直径以上の大きさである点火プラグ。このような構成であれば、プラズマの噴出を接地電極によって塞ぐことがないので、着火性能を向上させることができる。
【００２０】
［適用例１１］前記点火プラグは、プラズマジェット点火プラグである適用例１ないし適用例１０のいずれかに記載の点火プラグ。なお、本発明の点火プラグは、ガソリンエンジン用のプラズマジェット点火プラグ以外にも、ガスエンジンやガスタービンエンジン用のイグナイタプラグに対して適用することも可能である。
【００２１】
［適用例１２］燃料を点火する点火システムであって、適用例１ないし適用例１１のいずれかに記載の点火プラグと、前記点火プラグの前記中心電極または前記接地電極に対して、昇圧速度が、１×１０１０［Ｖ／秒］以上の電圧を印加する点火装置とを備える点火システム。このような点火システムによって点火プラグに電圧を印加すれば、半導体層の存在によって電極間抵抗値が低下していても、中心電極と接地電極との間で火花放電を確実に生じさせることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態としてのプラズマジェット点火プラグ１００の構造を示す部分断面図である。
【図２】プラズマジェット点火プラグ１００の先端部分を拡大した断面図である。
【図３】半導体層６２の電気的特性を示すグラフである。
【図４】点火システム１の概略構成を示す図である。
【図５】点火装置３２０がプラズマジェット点火プラグ１００に対して点火を行わせる際に印加する電圧波形の一例を示す図である。
【図６】一般的な点火プラグを点火させるための電圧波形の一例を比較例として示す図である。
【図７】着火性能評価実験の実験結果を示す図である。
【図８】各種昇圧速度における放電実験の実験結果を示す図である。
【図９】放電電圧評価実験の実験結果を示す図である。
【図１０】接触長評価実験の実験結果を示す図である。
【図１１】本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００によるプラズマの噴出例を示す図である。
【図１２】従来の沿面放電タイプのイグナイタプラグによってプラズマが発生した様子を示す図である。
【図１３】半導体層６２が、中心電極２０の側面に接するように配置された例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ次の順序で説明する。
Ａ．プラズマジェット点火プラグの構造：
Ｂ．点火システムの概略構成：
Ｃ．実施例：
【００２４】
Ａ．プラズマジェット点火プラグの構造：
図１は、本発明の一実施形態としてのプラズマジェット点火プラグ１００の構造を示す部分断面図である。また、図２は、プラズマジェット点火プラグ１００の先端部分を拡大した断面図である。なお、図１，２において、プラズマジェット点火プラグ１００の軸線Ｏ方向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。
【００２５】
図１に示すように、プラズマジェット点火プラグ１００は、絶縁碍子１０と、この絶縁碍子１０を保持する主体金具５０と、絶縁碍子１０内に軸線Ｏ方向に保持された中心電極２０と、主体金具５０の先端部５９に溶接された接地電極３０と、絶縁碍子１０の後端部に設けられた端子金具４０とから構成されている。
【００２６】
絶縁碍子１０は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成され、軸線Ｏ方向に軸孔１２を有する筒状の絶縁部材である。軸線Ｏ方向の略中央には外径の最も大きな鍔部１９が形成されており、これより後端側には後端側胴部１８が形成されている。また、鍔部１９より先端側には後端側胴部１８より外径の小さな先端側胴部１７と、その先端側胴部１７よりも先端側で先端側胴部１７よりも更に外径の小さな脚長部１３とが形成されている。この脚長部１３と先端側胴部１７との間は段状に形成されている。
【００２７】
図１に示すように、軸孔１２のうち脚長部１３の内周にあたる部分は、先端側胴部１７、鍔部１９および後端側胴部１８の内周にあたる部分よりも縮径された電極収容部１５として形成されている。この電極収容部１５の内部には中心電極２０が保持される。また、軸孔１２は電極収容部１５の先端側において内周が更に縮径されており、先端小径部６１として形成されている。そして、先端小径部６１の内周は絶縁碍子１０の先端面１６に連続し、軸孔１２の開口部１４を形成している。
【００２８】
中心電極２０は、インコネル（商標名）６００または６０１等のＮｉ系合金等で形成された円柱状の電極棒で、内部に熱伝導性に優れる銅等からなる金属芯２３を有している。そして先端部２１には、貴金属やタングステンを主成分とする合金からなる円盤状の電極チップ２５が、中心電極２０と一体となるように溶接されている。なお、本実施形態では、中心電極２０と一体になった電極チップ２５も含め「中心電極」と称する。
【００２９】
中心電極２０の後端側は鍔状に拡径され、この鍔状の部分が軸孔１２内において電極収容部１５の起点となる段状の部位に当接されており、電極収容部１５内で中心電極２０が位置決めされている。また、中心電極２０の先端部２１の先端面２６（より具体的には中心電極２０の先端部２１にて中心電極２０と一体に接合された電極チップ２５の先端面２６）の周縁が、径の異なる電極収容部１５と先端小径部６１との間の段部に当接された状態となっている。この構成により、軸孔１２の先端小径部６１の内周面と、中心電極２０の先端面２６とで包囲された容積の小さな放電空間が形成されている。この放電空間はキャビティ６０と称される。接地電極３０と中心電極２０との間の火花放電間隙において行われる火花放電は、このキャビティ６０内の空間や壁面を通過する。そして、この火花放電によって絶縁破壊された後に印加されるエネルギによって、キャビティ６０内でプラズマが形成される。このプラズマは、開口部１４の開口端１１から噴出される。
【００３０】
図１に示すように、中心電極２０は、軸孔１２の内部に設けられた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、後端側の端子金具４０に電気的に接続されている。このシール体４により、中心電極２０および端子金具４０は、軸孔１２内で固定されると共に導通される。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）が接続される。この高圧ケーブルを介して、図４に示した点火装置３２０から電力が端子金具４０に印加される。
【００３１】
主体金具５０は、内燃機関３００のエンジンヘッドにプラズマジェット点火プラグ１００を固定するための円筒状の金具であり、絶縁碍子１０を取り囲むようにして保持している。主体金具５０は鉄系の材料より形成され、図示外のプラグレンチが嵌合する工具係合部５１と、内燃機関３００の上部に設けられたエンジンヘッドに螺合するねじ部５２とを備えている。
【００３２】
主体金具５０の工具係合部５１より後端側には加締部５３が設けられている。工具係合部５１から加締部５３にかけての主体金具５０と、絶縁碍子１０の後端側胴部１８との間には円環状のリング部材６，７が介在されており、更に両リング部材６，７の間にタルク（滑石）９の粉末が充填されている。そして、加締部５３を加締めることにより、リング部材６，７およびタルク９を介して絶縁碍子１０が主体金具５０内で先端側に向け押圧される。これにより、図１に示すように、脚長部１３と先端側胴部１７との間の段状の部位が、主体金具５０の内周面に段状に形成された係止部５６に環状のパッキン８０を介して支持されて、主体金具５０と絶縁碍子１０とが一体にされる。このパッキン８０によって、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密は保持され、燃焼ガスの流出が防止される。また、図１に示すように、工具係合部５１とねじ部５２との間には鍔部５４が形成されており、ねじ部５２の後端側近傍、すなわち鍔部５４の座面５５にはガスケット５が嵌挿されている。
【００３３】
主体金具５０の先端部５９には接地電極３０が設けられている。接地電極３０は耐火花消耗性に優れた金属から構成されており、一例としてインコネル（商標名）６００または６０１等のＮｉ系合金が用いられる。図１に示すように、接地電極３０は、軸線Ｏを中心とした貫通孔３１（「オリフィス３１」ともいう）を有する円盤状に形成されており、その厚み方向を軸線Ｏ方向に揃え、絶縁碍子１０の先端面１６に当接した状態で、主体金具５０の先端部５９の内周面に形成された係合部５８に係合されている。そして先端面３２を主体金具５０の先端面５７に揃えた状態で、外周縁が一周にわたって係合部５８とレーザ溶接され、接地電極３０は主体金具５０と一体に接合されている。接地電極３０の貫通孔３１は、その最小内径が、少なくとも絶縁碍子１０の開口部１４（開口端１１）の内径以上の大きさを有するように形成されており、この貫通孔３１を介し、キャビティ６０の内部と外気とが連通されるように構成されている。
【００３４】
本実施形態では、図２に示すように、中心電極２０の先端面２６と接地電極３０とを接続するように、キャビティ６０を構成する絶縁碍子１０の内表面（内壁）に、半導体層６２が形成されている。半導体層６２は、絶縁碍子１０の表面の一部に酸化物半導体が拡散されることで形成されている。具体的には、泥漿状態の酸化物半導体（例えば、酸化鉄や酸化銅）を絶縁碍子１０のキャビティ内壁および先端面１６の一部に塗布して焼結させる処理を複数回（例えば、４〜５回）、繰り返すことにより半導体層６２が形成されている。
【００３５】
本実施形態の半導体層６２は、その後端部が、中心電極２０の先端面に立接しており、その先端部は、絶縁碍子１０の先端面１６と接地電極３０との接触面に入り込むように形成されている。そのため、接地電極３０の絶縁碍子１０側の面の一部は、半導体層６２を介して、絶縁碍子１０の先端部に接している。このように、絶縁碍子１０の先端面１６と接地電極３０との間にも半導体層６２が形成されていれば、キャビティ６０からのプラズマの噴出に伴って、オリフィス３１がチャネリングによって徐々に拡径されたとしても、中心電極２０と接地電極３０との間を確実に半導体層６２で接続することが可能になる。なお、本実施形態では、半導体層６２を介して絶縁碍子１０の先端面１６に接する接地電極３０の部分は、貫通孔３１の内周から外周側に向けて０．１ｍｍ以上存在することとした。以下では、かかる数量のことを、「接触長Ｃ」という。
【００３６】
図３は、半導体層６２の電気的特性を示すグラフである。このグラフの横軸は、半導体層６２の表面から絶縁碍子１０の内部へ向けた半導体層６２の厚み方向への深さを示し、縦軸は、その深さにおける半導体層６２の抵抗値を示している。このグラフに示すように、本実施形態の半導体層６２は、その表面付近は、０．１ＭΩの抵抗値を有しているが、０．２ｍｍの深さでは、１００ＭΩの抵抗値を有している。つまり、半導体層６２は、その表面から絶縁碍子１０の内部へ行くほど電気伝導率が低くなることになる。このような特性を有する半導体層６２をキャビティ６０の内壁に形成すれば、より電気伝導率の高い半導体層６２表面での放電が促進されるので、中心電極２０から主体金具５０へ直接放電されてしまうことが抑制され、キャビティ６０内での火花放電を促進することができる。この結果、プラズマジェット点火プラグ１００の着火率を向上させることが可能になり、また、絶縁碍子１０の劣化を抑制することが可能になる。
【００３７】
Ｂ．点火システムの概略構成：
次に、プラズマジェット点火プラグ１００の点火を制御する点火システム１の概要について説明する。
図４は、点火システム１の概略構成を示す図である。図４に示すように、点火システム１は、プラズマジェット点火プラグ１００を備える内燃機関３００と、プラズマジェット点火プラグ１００の点火を行う点火装置３２０と、内燃機関３００の運転状況を検出する各種センサと、これらのセンサが接続されたＥＣＵ（Engine Control Unit）３１０とによって構成されている。
【００３８】
内燃機関３００には、空燃比を検出するＡ／Ｆセンサ３０１や、ノッキングの発生を検出するノックセンサ３０２、冷却水の温度を検出する水温センサ３０３、クランク角を検出するクランク角センサ３０４、スロットルの開度を検出するスロットルセンサ３０５、ＥＧＲバルブの開度を検出するＥＧＲバルブセンサ３０６、が取り付けられている。
【００３９】
これらのセンサは、ＥＣＵ３１０に接続されている。ＥＣＵ３１０は、これらのセンサによって検出した内燃機関３００の運転状況から、プラズマジェット点火プラグ１００の点火タイミングを決定する。そして、決定された点火タイミングに基づいて、点火装置３２０に点火信号を出力する。
【００４０】
点火装置３２０は、ＥＣＵ３１０から受信した点火信号に基づいて、プラズマジェット点火プラグ１００の点火制御を行う。具体的には、ＥＣＵ３１０から点火信号を受信すると、プラズマジェット点火プラグ１００に高電圧を印加して火花放電を発生させ、火花放電間隙間を絶縁破壊する。そして、更なるエネルギを絶縁破壊後の火花放電間隙に印加する。こうすることで、プラズマジェット点火プラグ１００からプラズマが噴出されて混合気への着火が行われる。点火装置３２０の具体的構成は、例えば、特開２００７−２８７６６５に開示されている。
【００４１】
図５は、点火装置３２０がプラズマジェット点火プラグ１００に対して点火を行わせる際に印加する電圧波形の一例を示す図である。一方、図６は、一般的な点火プラグを点火させるための電圧波形の一例を比較例として示す図である。図６に示すように、一般的な点火プラグでは、０．５２×１０１０（ボルト／秒、以下、「Ｖ／Ｓ」と記載する）程度の昇圧速度で電圧を印加することにより、火花放電させることが可能である。これに対して、本実施形態の点火装置３２０は、図５に示すように、６．２×１０１０（Ｖ／Ｓ）の昇圧速度で電圧を印加する。つまり、従来に比べて、約１０倍の昇圧速度で電圧を印加するのである。このような昇圧速度で電圧を印加すれば、半導体層６２の存在によって中心電極と接地電極との間の電極間抵抗値が低くなることにより、実際の印加電圧が低下しても、火花放電のために要求される電圧を十分に供給することが可能になる。
【００４２】
Ｃ．実施例：
上述した実施形態に基づき製造されたプラズマジェット点火プラグ１００に対して、本発明の効果を確認するための種々の実験を行った。以下、これらの実験の結果を示す。
【００４３】
（Ｃ１）着火性能評価実験：
まず、電極間抵抗値の異なる複数のプラズマジェット点火プラグ１００を、実施例１〜６として用意し、これらのプラズマジェット点火プラグ１００の着火性能を評価する実験を行った。
図７は、本評価実験における各実施例の実験結果を示す図である。各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との間の抵抗値を抵抗計で測定した電極間抵抗値（半導体層６２表面における抵抗値）は、実施例１は１０Ω、実施例２は１００Ω、実施例３は１ｋΩ、実施例４は１０ｋΩ、実施例５は１００ｋΩ、実施例６は１ＭΩである。本実験では、それぞれの実施例について、大気圧の環境条件下と＋１ＭＰａの環境条件下とで、それぞれ２０回放電させ、そのうち着火できた回数の割合を求めている。なお、本実験では、ソリッドタイプの半導体を中心電極と接地電極との間に有するイグナイタプラグを比較例として用意し、このイグナイタプラグについても同様の実験を行った。このイグナイタプラグの電極間抵抗値は１ＭΩであった。
【００４４】
図７に示すように、本実験では、比較例のイグナイタプラグは、大気圧条件下では９５％の着火割合となったものの、＋１ＭＰａ条件下では４０％という低い着火割合となった。ソリッドタイプの半導体を有するイグナイタプラグは、プラグ先端周囲の圧力が高いと、放電が起こりやすい部分で放電が起こることが知られている。そのため、＋１ＭＰａという高圧条件下では、中心電極から接地電極に放電せず、半導体チップの内部あるいは半導体チップと絶縁碍子との界面を通じて、中心電極から主体金具に放電することにより、その着火割合が低くなったと考えられる。
【００４５】
これに対して、実施例１〜６のすべてが、大気圧の条件下および＋１ＭＰａの条件下で、１００％の割合で着火させることが可能であった。これは、各実施例の半導体層６２が、絶縁碍子１０の内部へ行くほど電気伝導率が低くなるため、高圧条件下でも半導体層６２の表面、すなわちキャビティ６０内で放電されることが促進されると考えられるからである。つまり、中心電極２０と接地電極３０との間に半導体層６２を配置するだけでもキャビティ６０内での放電は促進されるが、更に、絶縁碍子１０の内壁に半導体を拡散して半導体層６２を形成すれば、絶縁碍子１０の内部へ行くほど電気伝導率が低くなり、半導体層６２表面での放電が促進されるので、気筒内のような高圧条件下においても、より確実に混合気を着火させることが可能になるのである。
【００４６】
（Ｃ２）各種昇圧速度における放電実験：
続いて、上述した実施例１〜６のプラズマジェット点火プラグ１００について、印加する電圧の昇圧速度を種々変更して放電の有無を確認する実験を行った。本実験では、各実施例に対して、０．０１×１０１０（Ｖ／Ｓ）、０．１×１０１０（Ｖ／Ｓ）、１×１０１０（Ｖ／Ｓ）、１０×１０１０（Ｖ／Ｓ）、の各昇圧速度で電圧を印加し、放電の有無を確認した。
【００４７】
図８は、各昇圧速度における放電有無の結果を示す図である。図示するように、昇圧速度が、０．１×１０１０（Ｖ／Ｓ）以下では、どの実施例も放電しなかったが、昇圧速度が、１×１０１０（Ｖ／Ｓ）以上であれば、すべての実施例でも放電が確認された。つまり、中心電極２０と接地電極３０との間に半導体層６２を配置した場合には、少なくとも、１×１０１０（Ｖ／Ｓ）の昇圧速度で電圧を印加すれば、中心電極２０と接地電極３０との間に放電を生じさせることが可能になると考察される。
【００４８】
（Ｃ３）放電電圧評価実験：
次に、上述した各実施例の放電電圧を測定する実験を行った。この実験結果を図９に示す。この図９中、１０ＭΩおよび１００ＭΩの電極間抵抗値を有する点火プラグは、半導体層６２を有しない従来の点火プラグである。１００ＭΩの抵抗値を有する点火プラグは、ほぼ新品のプラグであり、１０ＭΩの抵抗値を有するプラグは、ある程度の使用を重ねたプラグである。一般に、使用によって電極間にカーボンが堆積した状態のプラグであれば、１０ＭΩ程度の抵抗値を有することになる。
【００４９】
図９に示すように、実施例１〜６の放電電圧は、０．５〜１．２ｋＶ程度であり、従来の点火プラグの放電電圧（２〜３ｋＶ）よりも１／２ないし１／６程度の低い電圧で放電させることが可能であった。つまり、上記実施形態のように、中心電極２０と接地電極３０との間に半導体層６２を形成すれば、半導体層６２を有しない点火プラグよりも低い電圧で混合気を着火させることが可能になるのである。この結果、高電圧の印加による電気ノイズの発生が抑制され、更に、キャビティ６０やオリフィス３１にチャネリングが生じることが抑制されることになる。
【００５０】
なお、本実験では、電極間抵抗値が１Ωのプラグも用意したが、これは放電させることができなかった。抵抗値が低すぎるために、上述した昇圧速度によっても火花放電に必要な電力が供給できなかったためである。
【００５１】
（Ｃ４）接触長評価実験：
最後に、半導体層６２を介して絶縁碍子１０の先端面１６に接する接地電極３０の接触長Ｃについて評価実験を行った。この実験結果を図１０に示す。この実験では、接地電極３０の厚みを０．５ｍｍ、接地電極３０の貫通孔３１の孔径を１．６ｍｍ、キャビティ６０の孔径を１．６ｍｍ、絶縁碍子１０の先端面１６からのキャビティ６０の深さを２．０ｍｍ、絶縁碍子１０の先端面１６の外径を５．５ｍｍ、電極間抵抗値を１００Ωとし、接触長Ｃをそれぞれ、０ｍｍ、０．１ｍｍ、０．５ｍｍ、とした３種類のプラズマジェット点火プラグ１００を用意した。そして、これらのプラズマジェット点火プラグ１００について、環境圧力を＋０．２ＭＰａ、環境温度を常温として、立ち上がり速度が６．２×１０１０（Ｖ／Ｓ）、放電エネルギが１Ｊの電源を用いて、１０００回および５０００回の放電を行った際の放電電圧をそれぞれ測定した。なお、本実験において、接触長Ｃが０ｍｍとは、キャビティ６０の内壁には半導体層６２が形成されているが、半導体層６２と接地電極３０とは接触していない状態のことをいう。
【００５２】
この実験によれば、接触長Ｃが０ｍｍの場合には、放電回数が少ないうちは５ｋＶ程度の電圧で放電可能であった。しかし、放電を繰り返し、放電回数が１０００回、５０００回となると、図１０に示すように、放電させることができず失火することが確認された。これに対して、接触長Ｃが０．１ｍｍの場合には、１０００回放電後において約１．８ｋＶの電圧で放電が可能であり、５０００回放電後において約３．５ｋＶの電圧で放電が可能であった。また、接触長Ｃが０．５ｍｍの場合には、１０００回放電後において約０．８ｋＶの電圧で放電が可能であり、５０００回放電後において約１．６ｋＶの電圧で放電可能であった。つまり、接触長Ｃが０．１ｍｍ以上あれば、１０００回、５０００回と放電を繰り返した後でも、従来の新品の点火プラグの放電電圧（２〜３ｋＶ）と同等以下の電圧によって放電させることが可能になることが確認できた。また、接触長Ｃが０．５ｍｍ以上であれば、５０００回の放電を行った後でも、従来の新品の点火プラグの放電電圧よりも低い電圧で放電させることが可能になることが確認できた。以上より、本実験の結果、接触長Ｃを０．１ｍｍ以上、好ましくは、０．５ｍｍ以上確保することで、放電の繰り返しに伴うキャビティ６０およびオリフィス３１の劣化（特に、チャネリングによるオリフィス３１の拡径）に対する耐久性を向上させつつ、低い電圧で点火プラグ１００の放電が可能になることが確認できた。
【００５３】
（Ｃ５）プラズマの噴出状態：
ここで、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００によるプラズマの噴出例を図１１に示す。図１２には、従来の沿面放電タイプのイグナイタプラグによってプラズマが発生した様子を示している。図１１に示すように、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、１５ｍｍ程度の火炎が発生した。これに対して、従来のイグナイタプラグでは、７ｍｍ程度の火炎の噴出に止まった。つまり、上述した実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００は、従来のイグナイタプラグよりも、大きな火炎を生じさせることが可能になるので、混合気への着火性を高めることが可能になるのである。
【００５４】
以上、本発明の実施形態および種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態や実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。
【００５５】
例えば、図１３に示すように、半導体層６２は、中心電極２０の先端部の外周面に接するように、配置されていてもよい。このような態様であれば、中心電極２０が消耗して短くなったとしても、中心電極２０と半導体層６２との接触を保つことが可能になる。また、上述した実施形態では、内燃機関用のプラズマジェット点火プラグ１００に半導体層６２を形成することとしたが、ガスエンジンやガスタービンエンジン用のイグナイタプラグについても同様に半導体層６２を形成することが可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１…点火システム
１０…絶縁碍子
１２…軸孔
２０…中心電極
３０…接地電極
３１…貫通孔（オリフィス）
４０…端子金具
５０…主体金具
６０…キャビティ
６２…半導体層
１００…プラズマジェット点火プラグ
３００…内燃機関
３０１…Ａ／Ｆセンサ
３０２…ノックセンサ
３０３…水温センサ
３０４…クランク角センサ
３０５…スロットルセンサ
３１０…ＥＣＵ
３２０…点火装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心電極と、
前記中心電極の軸線方向に延びる軸孔を有し、該軸孔内に前記中心電極を保持する略筒状の絶縁碍子と、
前記絶縁碍子の先端部に接するように配置され、貫通孔を有する接地電極とを備えた点火プラグであって、
前記中心電極の先端部は、前記絶縁碍子の先端部よりも後端側に位置しており、
前記絶縁碍子の表面の一部に、前記中心電極と前記接地電極とに接する半導体層が形成されていることを特徴とする点火プラグ。
【請求項２】
請求項１に記載の点火プラグであって、
前記接地電極の前記絶縁碍子側の面の少なくとも一部が、前記半導体層を介して前記絶縁碍子の先端部に接する点火プラグ。
【請求項３】
請求項２に記載の点火プラグであって、
前記接地電極の、前記半導体層を介して前記絶縁碍子の先端部に接する部分が、前記貫通孔の内周から外周側へ０．１ｍｍ以上存在する点火プラグ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の点火プラグであって、
前記半導体層は、前記半導体層の表面から前記絶縁碍子の内部に向かうほど電気伝導率が低くなる性質を有する点火プラグ。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の点火プラグであって、
前記中心電極と前記接地電極との間の電極間抵抗値が１×１０１〜１×１０６Ωである点火プラグ。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の点火プラグであって、
前記半導体層は、半導体を前記絶縁碍子の表面の一部に拡散させることで形成されている点火プラグ。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の点火プラグであって、
前記半導体層は、半導体を前記絶縁碍子の表面の一部に複数回焼結することで形成されている点火プラグ。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の点火プラグであって、
前記半導体層は、酸化物半導体を含有する点火プラグ。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の点火プラグであって、
前記半導体層の後端部は、前記中心電極の先端部の外周面に接している点火プラグ。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の点火プラグであって、
前記接地電極の貫通孔の直径は、前記絶縁碍子の軸孔の直径以上の大きさである点火プラグ。
【請求項１１】
前記点火プラグは、プラズマジェット点火プラグである請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の点火プラグ。
【請求項１２】
燃料を点火する点火システムであって、
請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の点火プラグと、
前記点火プラグの前記中心電極または前記接地電極に対して、昇圧速度が、１×１０10［Ｖ／秒］以上の電圧を印加する点火装置と
を備える点火システム。
【請求項１】
中心電極と、
前記中心電極の軸線方向に延びる軸孔を有し、該軸孔内に前記中心電極を保持する略筒状の絶縁碍子と、
前記絶縁碍子の先端部に接するように配置され、貫通孔を有する接地電極とを備えた点火プラグであって、
前記中心電極の先端部は、前記絶縁碍子の先端部よりも後端側に位置しており、
前記絶縁碍子の表面の一部に、前記中心電極と前記接地電極とに接する半導体層が形成されていることを特徴とする点火プラグ。
【請求項２】
請求項１に記載の点火プラグであって、
前記接地電極の前記絶縁碍子側の面の少なくとも一部が、前記半導体層を介して前記絶縁碍子の先端部に接する点火プラグ。
【請求項３】
請求項２に記載の点火プラグであって、
前記接地電極の、前記半導体層を介して前記絶縁碍子の先端部に接する部分が、前記貫通孔の内周から外周側へ０．１ｍｍ以上存在する点火プラグ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の点火プラグであって、
前記半導体層は、前記半導体層の表面から前記絶縁碍子の内部に向かうほど電気伝導率が低くなる性質を有する点火プラグ。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の点火プラグであって、
前記中心電極と前記接地電極との間の電極間抵抗値が１×１０１〜１×１０６Ωである点火プラグ。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の点火プラグであって、
前記半導体層は、半導体を前記絶縁碍子の表面の一部に拡散させることで形成されている点火プラグ。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の点火プラグであって、
前記半導体層は、半導体を前記絶縁碍子の表面の一部に複数回焼結することで形成されている点火プラグ。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の点火プラグであって、
前記半導体層は、酸化物半導体を含有する点火プラグ。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の点火プラグであって、
前記半導体層の後端部は、前記中心電極の先端部の外周面に接している点火プラグ。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の点火プラグであって、
前記接地電極の貫通孔の直径は、前記絶縁碍子の軸孔の直径以上の大きさである点火プラグ。
【請求項１１】
前記点火プラグは、プラズマジェット点火プラグである請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の点火プラグ。
【請求項１２】
燃料を点火する点火システムであって、
請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の点火プラグと、
前記点火プラグの前記中心電極または前記接地電極に対して、昇圧速度が、１×１０10［Ｖ／秒］以上の電圧を印加する点火装置と
を備える点火システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−１７０９９６（Ｐ２０１０−１７０９９６Ａ）
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８５９７４（Ｐ２００９−２８５９７４）
【出願日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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