CN108370134B - 火花塞以及具备该火花塞的点火系统 - Google Patents

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Abstract

在火花塞(1)中，使接地电极(14)形成为细的棒状或者网状，从而通过势垒放电来局部地生成足够强的自由基，并且电极所致的阻燃效应少，不易妨碍火焰的生长。另外，通过使与放电区域(15)相面对的第二电介质(12b)的厚度尺寸均匀，从而势垒放电扩展到第二电介质(12b)的表面，维持自由基的生成，促进点燃后的燃烧性。另外，高电压电极(11)的端部(11c)与接地电极(14)在燃烧室(22)的内部相对置配置，所以导入到燃烧室(22)的燃料气体易于流入到放电区域(15)，易于利用通过放电而产生的自由基进行点燃。

Description

火花塞以及具备该火花塞的点火系统
技术领域
本发明涉及利用了电介质势垒放电的火花塞以及具备该火花塞的点火系统。
背景技术
关于汽油发动机，在削减CO2或汽油价格大幅上涨等背景下，降低油耗的要求极高，虽然利用稀薄燃烧或排气再次循环等技术实现了油耗改善，但都存在点火不良这样的课题。当前的汽油发动机所使用的火花塞在电极之间施加高电压脉冲，使得通过电弧放电产生热等离子体，利用该热等离子体对燃料点火。
相反，作为用于改善点火的稳定性的技术，提出了使使用低温等离子体的具有一定体积且高效的点火方式实用化。低温等离子体是电子温度高且离子或中性粒子的温度低的非平衡状态的等离子体，具有能够进行占用宽广的体积的多点同时点火、即具有一定体积的点火这样的特征。通过使用低温等离子体，能够抑制火花塞的消耗，另外，由于自由基(通过放电而生成并成为燃烧的起点的活性粒子)的生成量多，所以能够促进点燃后的燃烧性。
低温等离子体通过势垒放电、电晕放电或者流光放电等而生成。尤其是作为在电极之间隔着电介质进行交流放电的势垒放电由于能够在宽的电极面积上稳定地维持非平衡放电，所以是能够稳定地生成低温等离子体的手法。
在势垒放电中，如细柱子那样的微小的流光放电间歇地且在电极面均匀地产生，所以能够在宽广的范围均匀地产生低温等离子体。另一方面，由等离子体产生的能量的投放扩展到整个放电空间，所以每单位体积的投放能量低。即，势垒放电可以说是虽能够高效地生成自由基但自由基的分布容易变得均匀且稀薄的手法。
作为将势垒放电应用到发动机点火的现有技术，在专利文献1中，提出了在用电介质层覆盖棒状的中心电极的圆柱型电介质电极的外侧以同心圆状配置有圆环状电极的点火装置。在该例子中，使外侧的圆环状电极接地，对中心电极施加高电压的交流波形，利用电介质电极与圆环状电极之间的同心圆状的电场使得产生势垒放电。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-36125号公报
发明内容
在专利文献1所提出的点火装置中，在中心电极与圆环状电极之间、即圆筒的内部均匀地产生势垒放电，通过该放电而产生的自由基有助于燃烧。然而，该专利文献1的结构被认为不适于利用通过势垒放电而产生的自由基对燃料直接点火，无法进行稳定的点火。以下说明其理由。
首先，专利文献1的结构由于作为放电空间的圆筒处于发动机的间隔壁的内部这点而不适于直接点火。为了通过势垒放电对燃料直接点火，需要燃料气体流入到放电空间并在那里与自由基反应。与此相对，可认为在专利文献1的结构中在放电空间产生的自由基逐渐扩散到燃烧室内并与燃料反应。可认为在这样的结构中虽然由于自由基而促进燃烧但难以对燃料直接点火。
另外，为了通过势垒放电来直接点火，需要局部地产生强的燃烧反应，为此需要局部地生成足够强的自由基。但是，可认为在专利文献1的点火装置中势垒放电均匀地扩散到整个电极面，其并非为局部地集中生成自由基的结构。
本发明是为了解决如上所述的课题而完成的，其目的在于得到能够利用势垒放电来稳定地对燃料进行直接点火，能够实现优良的点燃性以及燃烧性的火花塞以及具备该火花塞的点火系统。
本发明的火花塞具备：筒状的主体金属件；棒状或者网状的接地电极，连接于主体金属件的一端面；棒状的高电压电极，一端部从主体金属件的端面侧露出；以及第一电介质，覆盖高电压电极的周面、且被保持于主体金属件，高电压电极的端部和接地电极中的任意一方被厚度尺寸比第一电介质小的第二电介质覆盖，高电压电极的端部与接地电极隔着朝向第二电介质的放电区域相对置配置，与放电区域相面对的第二电介质的厚度尺寸均匀，在第二电介质覆盖高电压电极的端部的情况下，与放电区域相面对的接地电极的面积比与放电区域相面对的第二电介质的表面积小。
本发明的火花塞具备：筒状的主体金属件；棒状或者网状的接地电极，连接于主体金属件的一端面；棒状的高电压电极，一端部从主体金属件的端面侧露出；以及第一电介质，覆盖高电压电极的周面、且被保持于主体金属件，高电压电极的端部和接地电极中的任意一方被厚度尺寸比第一电介质小的第二电介质覆盖，高电压电极的端部与接地电极隔着朝向第二电介质的放电区域相对置配置，与放电区域相面对的第二电介质的厚度尺寸均匀，在将覆盖高电压电极的周面的第一电介质与主体金属件之间的间隙距离设为G2时，G2≤0.3mm。
本发明的火花塞具备：筒状的主体金属件；棒状或者网状的接地电极，连接于主体金属件的一端面；棒状的高电压电极，一端部从主体金属件的端面侧露出；以及第一电介质，覆盖高电压电极的周面、且被保持于主体金属件，高电压电极的端部和接地电极中的任意一方被厚度尺寸比第一电介质小的第二电介质覆盖，高电压电极的端部与接地电极隔着朝向第二电介质的放电区域相对置配置，在第二电介质的与放电区域相面对的部位具备具有尖端部的第三突起。
本发明的点火系统具备：上述火花塞、以及交流电压施加单元，该交流电压施加单元对火花塞的高电压电极与接地电极之间施加交流电压，使得在放电区域产生电介质势垒放电，主体金属件被固定于面向发动机的燃烧室的间隔壁的内部，高电压电极的端部与接地电极在燃烧室的内部相对置配置。
根据本发明的火花塞，通过使接地电极形成为棒状或者网状，能够通过电介质势垒放电来局部地生成足够强的自由基，能够点燃燃料，并且接地电极所致的阻燃效应少，不易妨碍火焰的生长。另外，通过使与放电区域相面对的第二电介质的厚度尺寸均匀，从而势垒放电扩展到第二电介质的表面，维持自由基的生成，所以促进点燃后的燃烧性。进而，在第二电介质覆盖高电压电极的端部的情况下，使与放电区域相面对的接地电极的面积比与放电区域相面对的第二电介质的表面积小，从而燃料易于流入到放电区域，电极所致的阻燃作用被抑制。因而，根据本发明，能够得到能够利用电介质势垒放电来稳定地对燃料直接点火并能够实现优良的点燃性以及燃烧性的火花塞。
根据本发明的火花塞，通过使接地电极成为棒状或者网状，能够通过电介质势垒放电来局部地生成足够强的自由基，能够点燃燃料，并且接地电极所致的阻燃效应少，不易妨碍火焰的生长。另外，通过使与放电区域相面对的第二电介质的厚度尺寸均匀，从而势垒放电扩展到第二电介质的表面，维持自由基的生成，所以促进点燃后的燃烧性。进而，通过使覆盖高电压电极的周面的第一电介质与主体金属件的间隙的距离G2成为0.3mm以下，能够抑制在第一电介质与主体金属件的间隙产生的放电，从而抑制在该间隙产生的放电所致的电力损耗。因而，根据本发明，能够得到能够利用电介质势垒放电来稳定地对燃料直接点火并能够实现优良的点燃性以及燃烧性的火花塞。
另外，根据本发明的火花塞，通过使接地电极形成为棒状或者网状，从而能够通过电介质势垒放电来局部地生成足够强的自由基，能够点燃燃料，并且接地电极所致的阻燃效应少，不易妨碍火焰的生长。另外，在与第二电介质的放电区域相面对的部位具备具有尖端部的第三突起，从而能够得到降低放电的开始电压的效果。因而，根据本发明，能够得到能够利用电介质势垒放电来稳定地对燃料直接点火并能够实现优良的点燃性以及燃烧性的火花塞。
另外，根据本发明的点火系统，火花塞的高电压电极的端部与接地电极在燃烧室的内部相对置配置，所以导入到燃烧室的燃料气体易于流入到放电区域，能够在与电介质势垒放电的产生同时，使自由基与燃料发生反应，点燃燃料。因而，根据本发明，能够得到能够利用势垒放电来稳定地向燃料直接点火并能够实现优良的点燃性以及燃烧性的点火系统。
本发明的除了上述以外的目的、特征、观点以及效果将根据参照附图的以下本发明的详细说明变得更清楚。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的火花塞的剖视图以及仰视图。
图2是示出本发明的实施方式1的点火系统的驱动电路的图。
图3是示出本发明的实施方式1的点火系统中的点火信号和交流高电压的波形的图。
图4是示出本发明的实施方式1的点火系统的其它驱动电路的图。
图5是示出本发明的实施方式2的火花塞的剖视图以及仰视图。
图6是示出本发明的实施方式2的火花塞的剖视图以及仰视图。
图7是说明在本发明的实施方式2的火花塞中与放电区域相面对的接地电极和电介质电极的面积的图。
图8是示出本发明的实施方式3的火花塞的剖视图以及仰视图。
图9是示出本发明的实施方式3的火花塞的剖视图以及仰视图。
图10是说明由本发明的实施方式3的火花塞中的接地电极的突起产生的电场集中的图。
图11是示出本发明的实施方式3的火花塞的剖视图以及仰视图。
图12是示出本发明的实施方式3的火花塞的剖视图以及仰视图。
图13是示出本发明的实施方式3的火花塞的剖视图以及仰视图。
图14是示出本发明的实施方式3的火花塞的剖视图以及仰视图。
图15是示出本发明的实施方式3的火花塞的剖视图以及仰视图。
图16是示出本发明的实施方式3的火花塞的剖视图以及局部放大剖视图。
图17是示出本发明的实施方式3的火花塞的剖视图以及局部放大剖视图。
图18是示出本发明的实施方式3的火花塞的局部放大剖视图。
图19是示出本发明的实施方式4的火花塞的样本的局部放大剖视图。
图20是示出本发明的实施方式4的火花塞的燃烧评价试验结果的图。
图21是示出本发明的实施方式4的火花塞的耐电压试验结果的图。
图22是示出本发明的实施方式4的火花塞的燃烧评价试验结果的图。
图23是说明本发明的实施方式4的火花塞中的面积S1、S2的图。
图24是示出本发明的实施方式4的火花塞的燃烧评价试验结果的图。
图25是说明本发明的实施方式4的火花塞的接地电极的图。
图26是示出本发明的实施方式4的火花塞的燃烧评价试验结果的图。
图27是示出本发明的实施方式4的火花塞的燃烧评价试验结果的图。
图28是说明本发明的实施方式4的火花塞的接地电极的突起的角度的图。
图29是示出本发明的实施方式4的火花塞的燃烧评价试验结果的图。
图30是示出本发明的实施方式5的火花塞的剖视图以及仰视图。
图31是示出本发明的实施方式5的火花塞的剖视图。
图32是示出本发明的实施方式5的火花塞的剖视图。
图33是示出本发明的实施方式5的火花塞的剖视图以及仰视图。
具体实施方式
实施方式1.
以下，根据附图，说明本发明的实施方式1的火花塞以及具备该火花塞的点火系统。图1是示出本实施方式1的火花塞的剖视图以及仰视图。如图1所示，本实施方式1的火花塞1具备棒状的高电压电极11、覆盖高电压电极11的周面11a的第一电介质12a、筒状的主体金属件13以及棒状的接地电极14。
作为火花塞1的框体的主体金属件13在其周面具有螺纹部13a，被固定于面向发动机的燃烧室22的间隔壁21的内部。棒状的接地电极14连接于主体金属件13的一端面13b。主体金属件13以及接地电极14为与发动机相同的接地电位。另外，棒状的高电压电极11的被第一电介质12a覆盖的周面11a保持于主体金属件13，一端部11c从主体金属件13的端面13b侧露出。覆盖高电压电极11的周面11a的第一电介质12a与主体金属件13之间的间隙的距离G2(参照图19)被设定为0.3mm以下。由此，能够抑制在第一电介质12a与主体金属件13之间的间隙产生的放电，在该间隙产生的放电所致的电力损耗被抑制。
高电压电极11的端部11c和接地电极14中的任意一方被厚度尺寸比第一电介质12a小的第二电介质12b覆盖，高电压电极11的端部11c与接地电极14隔着朝向第二电介质12b的放电区域15而相对置配置。在图1所示的例子中，高电压电极11是由包括第一电介质12a以及第二电介质12b的电介质12遍及其周面11a至端部11c地覆盖的电介质电极。另外，与放电区域15相面对的第二电介质12b的厚度尺寸均匀。此外，在以下说明中，将被第二电介质12b覆盖的电极称为电介质电极。
接地电极14具有其端部向高电压电极11的方向弯曲的折弯部14a，该折弯部14a与高电压电极11的前端部11b相对置配置而形成放电区域15。另外，由细棒状的金属构成接地电极14，所以通过电介质势垒放电(以下简记为势垒放电)局部地生成足够强的自由基。
进而，为了能够利用势垒放电直接点火，需要使燃料气体流入到放电区域15，但形成于火花塞1的前端的放电区域15向燃烧室22的内部突出，暴露于燃料气体的气流之中。另外，在第二电介质12b覆盖高电压电极11的端部11c的情况下，与放电区域15相面对的接地电极14的面积比与放电区域15相面对的第二电介质12b的表面积小。因此，导入到燃烧室22的内部的燃料易于流入到放电区域15，能够利用通过势垒放电而产生的足够强的自由基直接点火。
此外，关于高电压电极11、接地电极14以及第二电介质12b的形状及配置，并不限定于此，能够进行各种变形。例如接地电极14也可以不必须具有折弯部14a。在实施方式2以及实施方式3中，说明各种变形例。
本实施方式1的点火系统具备火花塞1以及交流电压施加单元，该交流电压施加单元在火花塞1的高电压电极11与接地电极14之间施加交流高电压而使得在放电区域15产生势垒放电。图2示出了作为交流电压施加单元的驱动电路的一个例子，图3示出了使用图2所示的驱动电路的情况下的点火信号和交流高电压的波形。
在图2中，获取到从ECU(Engine Control Unit，发动机控制单元)2输出的发动机的点火信号的控制电路3生成点火所需的驱动信号。驱动器电路4依照该驱动信号而输出如图3的(b)所示的开关波形，使开关元件5打开关闭。通过开关元件5的打开关闭而将来自DC电源6的电流变换为交流，利用变压器7进行升压。在变压器7的2次侧设置有共振线圈8，该共振线圈8与火花塞1的静电电容共振，由此交流高电压被施加于火花塞1的高压端子部。
当以接近驱动电路的共振频率的频率反复进行开关时，2次侧的火花塞1两端的电压因共振而上升。如图3的(a)所示，电压波形一边以交流变动，一边逐渐变高，在某处达到稳定值。当基于共振的升压比(Q值)大时，达到稳定值之前需要许多周期。关于连续脉冲的施加期间(开关的次数)，如果过短，则无法可靠地产生点火，如果过长，则造成电力损耗。
此外，图2所示的驱动电路是包括1个开关元件5的极简单的电路，但例如也可以使用如图4所示的半桥结构的驱动电路。在图4所示的例子中，由包括两个开关元件5A、5B的半桥逆变器将来自DC电源6的电流变换为交流，并经由用于防止变压器的偏磁的防止偏磁用电容器9被施加到变压器7的一次侧，利用变压器7进行升压而输出到2次侧。之后，与图2的例子同样地，利用共振线圈8进一步升压，交流高电压被施加到火花塞1的高压端子部。此外，作为开关电路的方式，还能够使用全桥逆变器或推挽器等方式。
如上那样，根据本实施方式1的火花塞1以及点火系统，通过使接地电极14形成为细棒状，能够通过势垒放电来局部地生成足够强的自由基。另外，高电压电极11的端部11c与接地电极14在燃烧室22的内部相对置配置，所以导入到燃烧室22的燃料气体易于流入到放电区域15，易于利用通过放电而产生的自由基进行点燃。即，能够与势垒放电的产生同时，使自由基与燃料反应从而点燃燃料。
另外，势垒放电扩展到电介质电极的表面，维持自由基的生成，所以促进点燃后的燃烧性。进而，接地电极14为细棒状，所以电极所致的阻燃效应少，不易妨碍火焰的生长。由此，根据本实施方式1，能够得到能够利用势垒放电来稳定地对燃料进行直接点火并能够实现优良的点燃性以及燃烧性的火花塞1以及具备该火花塞1的点火系统。
实施方式2.
在本发明的实施方式2中，使用图5～图7，说明上述实施方式1的火花塞1(图1)的基本变形例。此外，在各图中，对图中相同、相当的部分附加相同的附图标记而省略说明。
为了产生势垒放电，需要在高电压电极11与接地电极14之间隔着第二电介质12b，设置第二电介质12b的可以是任意的电极。在上述实施方式1中，形成为由第二电介质12b覆盖高电压电极11的结构，但也可以如图5所示，由第二电介质12b覆盖接地电极14，形成为电介质电极。在该情况下，高电压电极11的端部11c从电介质12露出。
另外，在上述实施方式1中，示出了配置1根棒状的接地电极14的例子，但接地电极14也可以为多根。在图6所示的例子中，具备4根细棒状的接地电极14，各自的端部具有向高电压电极11的方向弯曲的折弯部14a。另外，接地电极14的前端部14b与比高电压电极11的前端部11b靠上方的端部11c相对置地形成有放电区域15。
在具有多根接地电极14的情况下，能够使得分别并列地产生势垒放电。即，能够使得在多个部位同时产生放电而在多个部位开始燃烧，所以点火以及燃烧的稳定性进一步提高。在图6所示的例子中，接地电极14为细棒状的金属，在其前端部14b产生势垒放电，所以局部地生成足够强的自由基。
另外，形成放电区域15的火花塞1的前端向燃烧室22的内部突出，暴露于燃料气体的气流之中。因此，燃料气体经由4根细棒状的接地电极14的间隙而流入到放电区域15，利用由势垒放电而局部地产生的足够强的自由基直接点火。
此外，为了使导入到燃烧室22的燃料流入到放电区域15，与放电区域15相面对的接地电极14的面积需要比与放电区域15相面对的电介质电极的面积小。使用图7，说明与放电区域15相面对的接地电极14和电介质电极的面积的定义。
在图7中，阴影部A表示与放电区域15相面对的电介质电极的面积，阴影部B表示与放电区域15相面对的接地电极14的面积。这些电极的面积是指由势垒放电产生的电流流入的区域。在作为金属电极的接地电极14中，与电介质电极未对置的背侧不包含在电极的面积内。在接地电极14为金属电极的情况下，将在放电区域15的最短距离的部分(将其称为放电间隙)与电介质电极相对置的部分的面积定义为与放电区域15相面对的接地电极14的面积。
另一方面，在为电介质电极的情况下，作为势垒放电的特征，具有放电扩展到宽广的电极面积的整个面的趋势。但是，放电扩展的部分是第二电介质12b的厚度尺寸均匀的部分，在厚度尺寸大的部分，放电不扩展。因而，阴影部A的部分被定义为与放电区域15相面对的电介质电极的表面积。
此外，势垒放电具有如下特征：虽然最初在电极间的最短距离、即放电间隙的部位产生放电，但以后避开产生过第二电介质12b表面的一次放电的部位而放电。因此，沿着第二电介质12b的表面产生放电。更准确而言，最初产生放电的部位不限于电极间的最短距离的部位，而是从电场强度最高的部位开始产生放电。
在以往的火花塞中，为了使火花放电(电弧放电)产生，气体温度变得极高，电极由于放电的产生而消耗。因而，为了增长火花塞的寿命，需要使电极的前端部分形成得粗到某种程度。另一方面，势垒放电不是火花放电(电弧放电)，所以具有电极不发生消耗的特征，即使使接地电极14形成得细也能够得到足够的寿命。
进而，通过使接地电极14变细，从而燃料易于流入到放电区域15，电极所致的阻燃作用被抑制，从这点来看，也最好使接地电极14在保持机械强度、且能够防止燃烧所致的电极的过热的范围内尽可能细。
在本实施方式2的火花塞1中，也能够得到与上述实施方式1同样的效果，并且通过使细棒状的接地电极14为多根，使得能够在多个部位同时产生势垒放电，利用该放电来生成足够强的自由基，所以点火以及燃烧的稳定性进一步提高。
实施方式3.
在本发明的实施方式3中，作为上述实施方式1的火花塞1(图1)的变形例，使用图8～图18，说明在与放电区域15相面对的高电压电极11、第二电介质12b或者接地电极14的表面设置有具有尖端部的突起或金属小片的例子。此外，在各图中，对图中相同、相当的部分附加相同的附图标记，省略说明。
在图8所示的例子中，接地电极14为1根金属电极，在其折弯部14a的与放电区域15相面对的部位具备第一突起16，该第一突起16具有向放电区域15突出的尖端部。另外，在图9所示的例子中，接地电极14为4根细棒状的金属电极，在折弯部14a的前端部14b具备第一突起16。
关于本实施方式3的火花塞1，使用图10，说明使具有第一突起16的接地电极14与电介质电极相对置时的电场的集中。在图10中，P表示等势面，E表示电场的集中，D表示势垒放电。当在作为金属电极的接地电极14设置具有尖端部的第一突起16并使得与电介质电极相对置的情况下，如图10的(a)所示，电场集中于接地电极14的第一突起16的尖端部。当在这样的电极间产生势垒放电的情况下，如图10的(b)所示，以从接地电极14的第一突起16的尖端部扩展到第二电介质12b表面的方式产生放电。
作为势垒放电的特征，细流光状的放电以极短时间且断续地产生而扩展到电介质电极的表面。当在按照一定间隔相对置的电极之间产生的通常的势垒放电的情况下，以宽的面积产生均匀的放电，所以高效地产生自由基，另一方面，产生的自由基分布于宽的面积，气体温度保持低的状态。为了进行稳定的点火，需要高到某种程度的自由基密度和气体温度，所以通常的势垒放电对于直接点火是不合适的。
相对于此，在图8以及图9所示的结构中，放电集中于接地电极14的第一突起16的尖端部，局部地产生自由基密度和气体温度高的部分，所以能够实现稳定的点火。另外，如图9所示，通过使具有第一突起16的接地电极14的数量为多个，成为点火的开端的部分增加，能够进行更稳定的点火。进而，将第一突起16设置于接地电极14的前端部14b，使放电集中于该部分而点火，能够在更靠近燃烧室22的中央位置开始燃烧，能够抑制火花塞1的根部部分所致的阻燃效应。
另外，在图11所示的例子中，在高电压电极11的端部11c的与放电区域15相面对的部位具备具有向放电区域15突出的尖端部的第二突起17。在该例子中，作为金属电极的高电压电极11的端部11c从电介质12露出，4根接地电极14为被第二电介质12b覆盖的电介质电极。高电压电极11的端部11c在与4根接地电极14相对置的位置具有4个第二突起17。虽然图11所示的例子的构造复杂，但在需要用第二电介质12b覆盖接地电极14的情况下是有效的。
此外，第一突起16以及第二突起17直接设置于金属电极上，但也能够在覆盖高电压电极11的端部11c和接地电极14中的任意一方的第二电介质12b的与放电区域15相面对的部位设置具有向放电区域15突出的尖端部的第三突起18。在图12所示的例子中，在覆盖高电压电极11的第二电介质12b上设置有与4根接地电极14相对置的4个第三突起18。
另外，在图13所示的例子中，4根接地电极14由第二电介质12b覆盖，在各个第二电介质12b上设置有第三突起18。在这些例子中，第三突起18具有向放电区域15突出的尖端部，各个第三突起18的尖端部与相对置的电极的距离为放电区域15中的两电极间的最短距离、即放电间隙。
此外，当将第一突起16或者第二突起17直接设置于金属电极的情况和将第三突起18设置于电介质电极的表面的情况下，放电的产生方式不同。当在第二电介质12b的表面设置有第三突起18的情况下，也产生如图10所示的电场的集中，所以以该部分为起点而产生放电。
但是，在为金属电极上的第一突起16或者第二突起17的情况下，在其尖端部反复产生放电，相对于此，在为第二电介质12b上的第三突起18的情况下，无法在该部分连续地产生放电，所以放电产生某种程度扩展。因此，当在第二电介质12b上设置有第三突起18的情况下，能够得到降低放电的开始电压的效果，但放电的集中变弱。因而，只要根据要求的放电的集中程度来选择适当的结构即可。
此外，在图8～图13中，说明了具备设置于金属电极上的第一突起16或者第二突起17、或者设置于第二电介质12b上的第三突起18中的任意一个突起的例子，但也可以具备这两方突起。在图14所示的例子中，在4根接地电极14各自的前端部14b具备第一突起16，电介质电极具备4个第三突起18。在该情况下，为了在第一突起16和第三突起18各自的尖端部集中地放电，以使连结各个尖端部的距离成为放电区域15的最短距离、即放电间隙的方式相对置。
另外，图15所示的例子为与图9同样的结构，但放电间隙几乎为零，是近似电晕放电的结构。在该情况下，以使放电从设置于作为金属电极的接地电极14的第一突起16的尖端部开始而在电介质电极上蔓延的方式扩展放电。
通过形成为这样的结构，能够得到放电电压变低的效果。
进而，图16的(a)所示的例子为与图9同样的结构，但由第二电介质12b覆盖的高电压电极11的长度比图9短，处于远离设置于接地电极14的第一突起16的位置。在这样的情况下，如图16的(b)所示，势垒放电D越过长的距离。因此，与图15所示的例子对比，虽然放电电压变高，但自由基的产生效率变高，电极所致的阻燃效应也被抑制。
另外，在图17以及图18所示的例子中，在覆盖高电压电极11的端部11c的第二电介质12b的与放电区域15相面对的部位设置有金属小片19、19a。在图17所示的例子中，在与第一突起16相对置的第二电介质12b的表面粘贴有金属箔等金属小片19。在这样的情况下，如图17的(b)所示，在设置于接地电极14的第一突起16的尖端部与设置于第二电介质12b的表面的金属小片19之间产生势垒放电D。势垒放电D通常断续地产生微小的放电，但通过设置金属小片19，一次放电的电荷量变大，产生比未设置金属小片19的情况强的放电。
此外，因势垒放电而移动的电荷量与第二电介质12b上的金属小片19由电介质层构成的电容器的容量成比例。即，当增大金属小片19时，因一次势垒放电而移动的电荷量变大。能够利用这一情况来增强放电、或者将放电的强度控制成所期望的值，更能够进行稳定的点火。另外，如图18所示，设置具有尖端部的金属小片19a，从而能够进一步降低势垒放电的电压。此外，金属小片19、19a也可以设置于覆盖接地电极14的第二电介质12b的表面。
根据本实施方式3，除了能够得到与上述实施方式1以及实施方式2同样的效果，还能够得到点燃性能的提高及放电电压的下降等效果，还能够控制势垒放电的强度，能够进行更稳定的点火。
实施方式4.
在本发明的实施方式4中，制作火花塞的样本，根据燃烧评价试验等结果详细地研究各部分的尺寸等。图19是示出火花塞的样本的前端部的局部放大剖视图。如图19所示，火花塞的样本的高电压电极11由电介质12遍及其周面11a至端部11c地覆盖，与放电区域相面对的第二电介质12b的厚度尺寸均匀。
在图19所示的样本中，将与放电区域相面对的第二电介质12b的厚度尺寸设为D1，将覆盖周面11a的第一电介质12a的厚度尺寸设为D2，将作为覆盖高电压电极11的端部11c的第二电介质12b与接地电极14之间的最短距离的放电间隙设为G1，将在主体金属件13的内部覆盖高电压电极11的周面11a的第一电介质12a与主体金属件13之间的间隙设为G2。
(1)G2的研究(图20)
势垒放电最好在放电间隙即G1部分产生，但就火花塞的构造而言，在第一电介质12a与主体金属件13之间形成间隙G2。该G2的部分处的放电是不期望的。为了决定不产生放电的G2的值，制作使G2在0.1mm～1.5mm之间变化的样本并进行了燃烧评价试验。
在各样本中，将接地电极14的厚度尺寸设为1.3mm，将宽度尺寸设为2.2mm，将放电间隙中的第二电介质12b的厚度尺寸D1设为0.8mm，将放电间隙G1设为1.1mm。此外，这些尺寸取决于电介质12的材质。在本次试验中，作为通常的电介质12而使用了氧化铝(相对介电常数8～10)。
针对这些样本，使用以0.25MPa充满空燃比A/F为20的丙烷气体与空气的混合气体的恒定容量容器，施加2ms频率40kHz、电压峰值20kV的正弦波交流电压而实施燃烧评价试验。在评价方法中，针对每个样本实施5次然后评价点燃性能，将5次都点燃的情况设为“○”，在有一次点火失败的情况下就设为“×”。图20示出燃烧评价试验的结果。
如图20所示，在G2为0.3mm以下的情况下，被确认为良好的点燃，所以最好为G2≤0.3mm。被认为在第一电介质12a与主体金属件13的间隙G2比0.3mm大的情况下，在空间中产生的电晕放电所致的电力损耗大，传递到放电间隙的能量被消耗。因此，G2必须为小到某种程度的值。此外，在G2＝0.3mm的条件下，D2＝2mm。
(2)G1、D1的研究(图21、图22)
接下来，研究形成放电区域的部位的第二电介质12b的厚度尺寸D1和放电间隙G1。将主体金属件13的内部的第一电介质12a与主体金属件13的间隙G2设为0.3mm，将第一电介质12a的厚度尺寸D2设为2mm，制作火花塞前端的放电区域中的第二电介质12b的厚度尺寸D1与放电间隙G1的值分别不同的样本，实施耐电压试验以及燃烧评价试验。
在耐电压试验的方法中，施加1分钟电压，确认第二电介质12b有无贯通。燃烧评价试验的方法与上述一样。图21示出耐电压试验的结果，图22示出燃烧评价试验的结果。此外，在图21中，将没有贯通的情况设为“○”，将有贯通的情况设为“×”。
根据图21以及图22所示的结果，确认出放电区域中的第二电介质12b的厚度尺寸D1为0.6mm≤D1≤1.2mm，放电间隙G1为0.8mm≤G1≤1.5mm是合适的。形成放电间隙的部位的第二电介质12b的厚度尺寸D1和放电间隙G1是对电压施加所致的第二电介质12b的机械性的破坏以及放电空间的放电强度造成影响的因子，只要满足上述条件，就能够在各自的性能高的维度下同时成立。
(3)火花塞尖端部的形状的研究(图24)
接下来，研究火花塞前端部的接地电极14的形状。将连接接地电极14的主体金属件13的端面13b的面积设为S1，将在将接地电极14投影到该端面13b时接地电极14在端面13b所占的面积设为S2。图23的(a)的斜线部分为S1，图23的(b)的斜线部分为S2。
制作S1恒定地设为39.4mm2，S2的值分别不同的样本，实施燃烧评价试验。此外，作为各样本的其它尺寸，将放电间隙中的第二电介质12b的厚度尺寸D1设为0.8mm，将放电间隙G1设为1.1mm，将主体金属件13的内部的第一电介质12a与主体金属件13之间的间隙G2设为0.3mm，将第一电介质12a的厚度尺寸D2设为2mm(以后，将D1＝0.8mm，D2＝2mm，G1＝1.1mm，G2＝0.3mm作为基本的样本尺寸。
针对这些样本，使用以0.25MPa充满空燃比A/F为20、22、24的丙烷气体与空气的混合气体的恒定容量容器，按照与上述同样的条件以及评价方法实施燃烧评价试验。图24示出燃烧评价试验的结果。
根据图24所示的结果，确认出0.15≤S2/S1≤0.35是适当的。具有随着接地电极14所占的面积S2变大而产生阻燃作用且点燃性能劣化的趋势。另一方面，当S2变得过小时，电场集中的部分小，所以放电不发生扩展，点燃性能恶化。因此，接地电极14的面积S2具有最佳值：只要为0.15≤S2/S1≤0.35，则在空燃比A/F为22的条件下也能够进行点燃。
(4)接地电极的分割数的研究(图26、图27)
接下来，研究棒状的接地电极14的适当的根数。接地电极14在为相同的面积S2的情况下，在分割为多个时，放电区域15的范围变宽，所以点燃性能良好。图25的斜线部表示将接地电极14分割为4根的情况下的面积S2。在上述基本的样本尺寸中，将S1设为39.4mm2，将S2/S1的值设为0.15和0.35这两类，制作接地电极14的根数(分割数)为1根、两根、4根的样本并实施燃烧评价试验。此外，燃烧评价试验的其它条件以及评价方法与上述一样。
图26示出了S2/S1＝0.15的情况下、图27示出了S2/S1＝0.35的情况下的燃烧评价试验的结果。确认在任意的情况下，都将接地电极14分割为两根以上，从而在空燃比A/F为24的条件下也能够进行点燃，所以最好将接地电极14分割为多个。
(5)接地电极的尖端部形状的研究(图29)
接下来，研究接地电极14的尖端部的形状。在上述实施方式3中，叙述了通过在接地电极14的与放电区域相面对的部位设置具有尖端部的第一突起16，从而点燃性能提高。在本次实验中，制作出具有4根厚度尺寸为1.3mm、宽度尺寸为2.2mm的接地电极14且各自的尖端部的角度为45度、90度、135度的样本。
图28的(a)示出了尖端部的角度为45度的接地电极，图28的(b)示出了尖端部的角度为90度的接地电极，图28的(c)示出了尖端部的角度为135度的接地电极。在上述基本的样本尺寸中，S1设为39.4mm2，关于燃烧评价试验的条件以及评价方法，除了将空燃比A/F设为24、26以外都与上述一样。图29示出燃烧评价试验的结果。
根据图29所示的结果，确认出在将接地电极14的尖端部的角度设为90度以下的情况下，在上述实施方式3(图10)中说明的电场集中的效果增强，点燃性能提高。或者，还可认为由于接地电极14的尖端部变细，从而电极所致的阻燃效应被抑制，点燃性能发生了改善。因而，优选将接地电极14的尖端部的角度设为90度以下。
实施方式5.
图30是示出本发明的实施方式5的火花塞的剖视图以及仰视图，图31～图33是示出本实施方式5的火花塞的变形例的图。如图30所示，本实施方式5的火花塞1A具有棒状的高电压电极11、覆盖高电压电极11的周面11a的第一电介质12a、筒状的主体金属件13以及以包围高电压电极11的端部11c的方式配置的网状的接地电极14A。
作为火花塞1的框体的主体金属件13在其周面具有螺纹部13a，被固定于面向发动机的燃烧室22的间隔壁21的内部。网状的接地电极14A连接于主体金属件13的一端面13b。主体金属件13以及接地电极14A为与发动机相同的接地电位。
另外，棒状的高电压电极11的由第一电介质12a覆盖的周面11a保持于主体金属件13，一端部11c从主体金属件13的端面13b侧露出。
高电压电极11的端部11c由第二电介质12b覆盖，高电压电极11的端部11c与接地电极14A隔着朝向第二电介质12b的放电区域15而相对置配置。
为了通过势垒放电来对燃料直接点火，需要使燃料气体流入到放电区域，还需要某种程度的放电集中，为了进行多点点火，需要在多个部位同时产生放电。另外，为了抑制点火时的阻燃效应，需要减小接地电极的热容量。网状的接地电极14A满足所有的这些要件。
在势垒放电的情况下，几乎不产生放电所致的电极的消耗，所以能够使作为金属电极的接地电极14A细到能保持机械强度的程度。在网状的接地电极14A的情况下，即使使电极变得足够细，也能够维持机械强度。但是，考虑燃烧造成的电极加热，需要确保预定的粗细。另外，燃料气体从网眼流入以及流出，所以适于燃料的直接点火。进而，在网状的接地电极14A的多个交点处产生电场集中，所以能够在多个部位产生集中的放电。
在本实施方式5中，在网状的接地电极14A的交点与相对置的电介质电极之间的最短距离的附近开始势垒放电，并扩展到周围。由于分布有大量的交点，所以在各交点与第二电介质12b之间产生大量的放电，在网状的接地电极14A与电介质电极之间的大致整个区域产生具有一定体积的放电。
如图30所示，在电介质电极的周围以大致同心圆状配置网状的接地电极14A，从而能够以宽广的面积产生放电。另一方面，如图31所示，使接地电极14A的前端逐渐变细，从而能够在火花塞1A的前端附近即燃烧室22的中央附近处开始燃烧。
另外，与图31同样地，图32所示的接地电极14A的前端逐渐变细，覆盖至电介质电极的前端。通过形成这样的结构，能够在火花塞1A的前端附近开始燃烧，并且网状电极的机械强度提高。
进而，在图33所示的例子中，接地电极14A为筒型，其一端部连接于主体金属件13，另一端部具有向放电区域突出的多根突起电极20。通过形成这样的结构，在接地电极14A的网状部分不放电，利用前端的突起电极20进行放电，所以能够在火花塞1A的前端附近处集中地开始燃烧。
在本实施方式5的火花塞1A中，也与上述实施方式1同样地，能够通过势垒放电来局部地生成足够强的自由基，能够在与放电的产生同时，使自由基与燃料发生反应，点燃燃料。进而，接地电极14为细网状，所以电极所致的阻燃效应少，不易妨碍火焰的生长。另外，导入到燃烧室22的燃料气体易于流入到放电区域，易于利用通过放电而产生的自由基进行点燃。
由此，根据本实施方式5，能够得到能够利用势垒放电来稳定地对燃料直接点火并能够实现优良的点燃性以及燃烧性的火花塞1A以及具备该火花塞1A的点火系统。此外，本发明能够在其发明的范围内，对各实施方式自由地进行组合，或者对各实施方式适当地进行变形、省略。

Claims (13)

1.一种火花塞，其特征在于，具备：
筒状的主体金属件；
棒状的接地电极，连接于所述主体金属件的一端面；
棒状的高电压电极，一端部从所述主体金属件的所述端面侧露出；以及
第一电介质，覆盖所述高电压电极的周面的一部分、且被保持于所述主体金属件，
所述高电压电极的所述端部被厚度尺寸比所述第一电介质小的第二电介质覆盖，
所述高电压电极的所述端部的周面与所述接地电极隔着朝向所述第二电介质的放电区域相对置配置，与所述放电区域相面对的所述第二电介质的厚度尺寸均匀，与所述放电区域相面对的所述接地电极的面积比与所述放电区域相面对的所述第二电介质的表面积小，
在将所述主体金属件的所述端面的面积设为S1，将把所述接地电极投影到所述端面时所述接地电极在所述端面所占的面积设为S2时，0.15≤S2/S1≤0.35。
2.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，
所述接地电极是多根棒状电极。
3.根据权利要求2所述的火花塞，其特征在于，
所述接地电极具有折弯部，该折弯部的端部向所述高电压电极的方向弯曲。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的火花塞，其特征在于，
所述接地电极在与所述放电区域相面对的部位具备具有尖端部的第一突起。
5.根据权利要求4所述的火花塞，其特征在于，
所述接地电极是金属电极，所述尖端部的角度为90度以下。
6.根据权利要求1至3中的任意一项所述的火花塞，其特征在于，
所述第二电介质的与所述放电区域相面对的部位具备金属小片。
7.根据权利要求4所述的火花塞，其特征在于，
所述第二电介质的与所述放电区域相面对的部位具备金属小片。
8.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，
在将覆盖所述高电压电极的所述端部的所述第二电介质的厚度尺寸设为D1时，0.6mm≤D1≤1.2mm，在将覆盖所述高电压电极的所述端部的所述第二电介质与所述接地电极之间的最短距离设为G1时，0.8mm≤G1≤1.5mm。
9.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，
在将所述第一电介质与所述主体金属件之间的间隙距离设为G2时，G2≤0.3mm。
10.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，
在所述第二电介质的与所述放电区域相面对的部位具备具有尖端部的第三突起。
11.根据权利要求10所述的火花塞，其特征在于，
所述接地电极在与所述放电区域相面对的部位具备具有尖端部的第一突起。
12.根据权利要求11所述的火花塞，其特征在于，
所述第一突起和所述第三突起被配置成使连结各个所述尖端部的距离为所述放电区域的最短距离。
13.一种点火系统，其特征在于，具备权利要求1至12中的任意一项所述的火花塞、以及交流电压施加单元，该交流电压施加单元对所述火花塞的所述高电压电极与所述接地电极之间施加交流电压而使所述放电区域产生电介质势垒放电，
所述主体金属件被固定于面向发动机的燃烧室的间隔壁的内部，所述高电压电极的所述端部与所述接地电极在所述燃烧室的内部相对置配置。
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