DE102007055816A1 - Plasmazündvorrichtung - Google Patents

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DE102007055816A1
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Yasuhide Kariya Tani
Hideyuki Kariya Katoh
Tooru Kariya Yoshinaga
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Abstract

Eine Plasmazündvorrichtung (1) ist mit einer Plasmazündkerze (10), die ein Isolationselement (120) zum Isolieren einer Mittelelektrode (110) von einer Masseelektrode (131) aufweist, und elektrischen Energiezufuhrschaltungen (20, 30) zum Anlegen hoher Spannungen an die Plasmazündkerze (10) versehen. Die Plasmazündvorrichtung (1) aktiviert das Gas in einem Entladungsraum (140) des Isolationselements (120) in das Plasma mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck durch die zwischen der Mittelelektrode (110) und der Masseelektrode (131) angelegte hohe Spannung und injiziert dieses in eine Verbrennungskraftmaschine. Die elektrischen Energiezufuhrschaltungen (20, 30) sind mit der Mittelelektrode (110) als eine Anode und mit der Masseelektrode (131) als eine Kathode verbunden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Plasmazündvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, die wirksam ist, eine Elektrodenabnutzung einer Zündkerze zu verringern.
  • In einer herkömmlichen Zündvorrichtung IL für eine Verbrennungskraftmaschine, wie sie in 10A gezeigt ist, wird eine übliche Zündkerze 10L verwendet. Wenn ein Zündschalter 22L eingeschaltet wird, wird eine niedrige Primärspannung von einer Batterie 21L an eine Primärwicklung 231L einer Zündspule 23L angelegt. Wenn die Primärspannung durch das Schalten einer Zündeinrichtung (eines Transistors) 24L, die durch eine elektronische Steuerungseinheit (ECU) 25L gesteuert wird, abgeschaltet wird, ändert sich ein Magnetfeld in der Zündspule 23L, wobei eine hohe Sekundärspannung von –10 bis –30 kV in einer Sekundärwicklung 232L der Zündspule 23L erzeugt wird.
  • Wenn die Sekundärspannung eine Haltespannung eines Entladungsraums (eines Abstands) 140L zwischen einer Mittelelektrode 110L und einer Masseelektrode 131L überschreitet, ereignet sich eine Entladung DC in dem Entladungsraum 140L. Als Ergebnis wird ein als eine Zündquelle fungierender Hochtemperaturbereich HT in einem schmalen Bereich gebildet, wie es in 10B gezeigt ist.
  • Im Gegensatz dazu wird in einer herkömmlichen Plasmazündvorrichtung 1k, wie sie in 9A gezeigt ist, beim Einschalten eines Zündschalters 22k eine niedrige Primärspannung von einer Entladungsbatterie 21k an eine Primärwicklung 231k einer Zündspule 23 angelegt. Wenn die Primärspannung durch das Schalten einer Zündeinrichtung (eines Transistors) 24k, die durch eine elektronische Steuerungseinheit (ECU) 25k gesteuert wird, abgeschaltet wird, ändert sich ein Magnetfeld in der Zündspule 23k und eine hohe Sekundärspannung von –10 bis –30 kV wird in einer Sekundärwicklung 232k der Zündspule 23k erzeugt. Eine Entladung beginnt, wenn die Sekundärspannung eine Entladungsspannung erreicht, die proportional zu einem Entladungsabstand 141k in einem Entladungsraum 140k ist, der zwischen einer Mittelelektrode 110k und einer Masseelektrode 131k ausgebildet ist.
  • Zur gleichen Zeit wird eine Energie (beispielsweise –450 V, 120 A), die in einem Kondensator 33k von einer getrennt von der Entladungsbatterie 21k angeordneten Batterie 31k für eine Plasmaenergiezufuhr gespeichert wird, in den Entladungsraum 140k mit einem Stoß bzw. Burst entladen. Das Gas in dem Entladungsraum 140k gelangt in den Plasmazustand PLM mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck, und das Gas wird aus einer Öffnung 132k, die bei der Spitze des Entladungsraums 140k ausgebildet ist, ausgestoßen. Als Ergebnis wird ein Bereich mit sehr hoher Temperatur, die von mehreren tausend bis mehreren zehntausend Grad reicht, mit einer hohen Richtwirkung und einer großen Kapazität erzeugt.
  • Dementsprechend wird, um eine magere Luft-Kraftstoff-Mischung mit weniger Kraftstoff in einem Direkteinspritzungsmotor zu verbrennen, die Anwendung einer Schichtladungsverbrennung erwartet, die die Verbrennung durch Ansammeln eines fetten Luft-Kraftstoff-Mischgases mit viel Kraftstoff in der Nähe der Zündkerze vereinfacht.
  • Als eine derartige Plasmazündvorrichtung ist in dem US-Patent Nr. 3,581,141 eine Zündkerze des Oberflächenabstandtyps offenbart. Um zu verhindern, dass eine Mittelelektrode verschmutzt wird, umfasst die Plasmazündvorrichtung eine Mittelelektrode, einen Isolationskörper mit einem Einfügloch, das die Mittelelektrode in der Mitte und sich vertikal erstreckend beinhaltet, und eine Masseelektrode umfasst, die den Isolationskörper abdeckt und eine Öffnung aufweist, die mit dem Einfügloch bei dem Bodenende in Verbindung steht, wobei ein Entladungsabstand in dem Einfügloch ausgebildet ist.
  • In der Plasmazündvorrichtung 1k wird üblicherweise eine durch Gleichrichter 26k und 34k gleichgerichtete hohe Spannung angelegt, so dass die Mittelelektrode 110k als eine Kathode arbeitet. Als Ergebnis kollidieren, wie es in 9B gezeigt ist, positive Ionen 50 mit großer Masse mit der Oberfläche der Mittelelektrode 110k. Es ereignet sich ein Kathodenzerstäuben bzw. eine Kathodenpulverisierung (Kathodensputtern), wobei die Oberfläche der Mittelelektrode 110k abgebaut wird.
  • Die Oberfläche der Mittelelektrode 110k erodiert allmählich aufgrund des Kathodenzerstäubens, die Entfernung zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode 131k, d.h. die Entladungsentfernung 141k nimmt allmählich zu und eine Entladungsspannung nimmt allmählich proportional zu der Entladungsentfernung 141k zu. Dementsprechend ist es bei Verwendung der Plasmazündvorrichtung 1k für eine lange Zeitdauer wahrscheinlich, dass eine Entladung binnen kurzem fehlschlägt und eine Fehlzündung einer Verbrennungskraftmaschine verursacht wird.
  • Es ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Plasmazündvorrichtung bereitzustellen, die eine durch Kathodenzerstäuben verursachte Abnutzung einer Kathode einer Plasmazündkerze unterdrückt.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Plasmazündvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Plasmazündvorrichtung eine Plasmazündkerze und eine elektrische Energiezufuhrschaltung. Die Plasmazündkerze ist mit einer Mittelelektrode, einer Masseelektrode und einem Isolationselement versehen, um die Mittelelektrode von der Masseelektrode zu isolieren. Die elektrische Energiezufuhrschaltung legt eine hohe Spannung zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode an, so dass die Plasmazündkerze ein Gas in einem Entladungsraum des Isolationselements in einen Plasmazustand mit einer hohen Temperatur und einen hohen Druck durch die hohe Spannung aktiviert. Die elektrische Energiezufuhrschaltung ist mit der Mittelelektrode und der Masseelektrode als eine Anode bzw. eine Kathode verbunden.
  • Die vorstehend genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung besser ersichtlich. Es zeigen:
  • 1 ein Schaltungsdiagramm einer Plasmazündvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
  • 2 eine Schnittdarstellung eines Endteils einer Plasmazündkerze, die eine Plasmaerzeugung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
  • 3A eine Schnittdarstellung, die einen Endteil einer Plasmazündkerze zeigt, die in einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
  • 3B eine Schnittdarstellung eines Endteils, die eine Plasmaerzeugung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,
  • 4A eine Schnittdarstellung, die einen Endteil einer Plasmazündkerze zeigt, die in einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
  • 4B eine Schnittdarstellung, die einen Endteil einer Plasmazündkerze zeigt, die in einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
  • 4C eine Schnittdarstellung, die einen Endteil einer Plasmazündkerze zeigt, die in einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
  • 5A eine Schnittdarstellung, die einen Endteil einer Plasmazündkerze zeigt, die in einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
  • 5B einen Graphen, der die Änderung in dem spezifischen Widerstand einer Schutzschicht zeigt, die in dem sechsten Ausführungsbeispiel bereitgestellt ist,
  • 6A eine Schnittdarstellung, die einen Endteil einer Plasmazündkerze zeigt, die in einem siebten Ausführungsbeispiel verwendet wird,
  • 6B eine Schnittdarstellung, die einen Endteil einer Plasmazündkerze zeigt, die in einem achten Ausführungsbeispiel verwendet wird,
  • 6C eine Schnittdarstellung, die einen Endteil einer Plasmazündkerze zeigt, die in einem neunten Ausführungsbeispiel verwendet wird,
  • 6D eine Schnittdarstellung, die einen Endteil einer Plasmazündkerze zeigt, die in einem zehnten Ausführungsbeispiel verwendet wird,
  • 7A eine Schnittdarstellung, die einen Endteil einer Plasmazündkerze zeigt, die in einem elften Ausführungsbeispiel verwendet wird,
  • 7B eine Schnittdarstellung, die entlang einer Linie 7B-7B in 7A entnommen ist,
  • 8A ein weiteres Schaltungsdiagramm, das bei den ersten bis zehnten Ausführungsbeispielen anwendbar ist,
  • 8B ein weiteres Schaltungsdiagramm, das bei den ersten bis zehnten Ausführungsbeispielen anwendbar ist,
  • 9A ein Schaltungsdiagramm, das eine herkömmliche Plasmazündvorrichtung zeigt,
  • 9B eine Schnittdarstellung eines Endteils, die eine Erzeugung eines Plasmas in einer herkömmlichen Plasmazündkerze zeigt,
  • 10A ein Schaltungsdiagramm, das eine herkömmliche Funkenzündvorrichtung zeigt, und
  • 10B eine schematische Darstellung, die eine Entladung in einer herkömmlichen Funkenzündkerze zeigt.
  • (Erstes Ausführungsbeispiel)
  • Unter Bezugnahme auf 1 ist eine Plasmazündvorrichtung 1 aus einer Plasmazündkerze 10, einer elektrischen Entladungsenergiezufuhrschaltung 20 für eine Entladung und einer elektrischen Plasmaerzeugungs-Energiezufuhrschaltung 30 für eine Erzeugung von Plasma aufgebaut. Beide elektrischen Energiezufuhrschaltungen 20 und 30 sind elektrische Hochspannungsenergieschaltungen.
  • Die Plasmazündkerze 10 umfasst eine Mittelelektrode 110 in der Form eines Stabes, einen elektrischen Isolator 120 als ein zylindrisches Isolationselement, um die Mittelelektrode 110 zu isolieren und zu halten, und ein metallisches Gehäuse 130 in der Form eines Zylinders und mit einem geschlossenen Ende, um den elektrischen Isolator 120 abzudecken.
  • Der Spitzenteil (das Ende) der Mittelelektrode 110 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material mit hohem Schmelzpunkt hergestellt, ein Mittelelektrodeninnenstab aus einem Metallmaterial mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und hoher thermischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise ein Stahlmaterial, ist innen ausgebildet und ein Mittelelektrodenanschluss 112, der von dem elektrischen Isolator 120 freigelegt ist und mit der elektrischen Entladungsenergiezufuhrschaltung 20 und der elektrischen Plasmaerzeugungs-Energiezufuhrschaltung 30 außen verbunden ist, ist bei dem Basisendteil ausgebildet.
  • Der elektrische Isolator 120 ist aus hochreinem Aluminium oder dergleichen hergestellt, das sich durch einen thermischen Widerstand, eine mechanische Stärke, eine dielektrische Stärke bei einer hohen Temperatur, einer thermischen Leitfähigkeit und dergleichen auszeichnet. Ein zylindrischer Entladungsraum 140, der sich von der Spitzenfläche der Mittelelektrode 110 nach unten erstreckt, ist bei dem Spitzenteil ausgebildet. Ein Mittelelektrodeneingriffsabschnitt 125 zum Eingreifen in ein Gehäuse 130 über ein Dichtungselement 126 zum Halten einer Luftdichtheit zwischen dem elektrischen Isolator 120 und dem Gehäuse 130 ist bei dem Mittelteil ausgebildet. Ein Kopfabschnitt 122 des elektrischen Isolators zum Isolieren der Mittelelektrode 110 von dem Gehäuse 130 und zum Verhindern eines Entweichens einer hohen Spannung zu einem zu der Elektrode unterschiedlichen Teil ist bei dem Basisendteil ausgebildet.
  • Das Gehäuse 130, das eine ringförmige Masseelektrode 131 umfasst, ist aus einem metallischen Material mit hohem Schmelzpunkt und hoher thermischer Leitfähigkeit hergestellt. Die ringförmige Masseelektrode 131, deren Spitze zu der Innenseite in der radialen Richtung gebogen ist, und mit der der elektrische Isolator 120 abgedeckt ist, ist bei der Spitze des Gehäuses 130 ausgebildet. Ein Gehäuseschraubabschnitt 133 wird zur Fixierung der Plasmazündvorrichtung 1 an einen Motorblock 40 einer (nicht gezeigten) Verbrennungskraftmaschine verwendet, so dass die Masseelektrode in die Verbrennungskraftmaschine freigelegt sein kann, wobei er das Gehäuse 130 hält. Der Motorblock 40 in einem elektrisch geerdeten bzw. mit Masse verbundenen Zustand ist bei dem Mittelteil um den Außenumfang herum ausgebildet. Ein sechseckiger Gehäuseabschnitt 134, der zum Anziehen des Schraubenabschnitts 133 verwendet wird, ist bei dem Basisendteil um den Außenumfang herum ausgebildet.
  • Eine Masseelektrodenöffnung 132, die mit dem Innendurchmesserteil des elektrischen Isolators 120 in Verbindung steht, ist bei der Masseelektrode 131 ausgebildet. Ferner nimmt der Durchmesser der Masseelektrodenöffnung 132 hin zu der Spitze mit einem breiteren Winkel zu, so dass er größer ist als der Innendurchmesser des elektrischen Isolators 120. Die Spitzenoberfläche der Mittelelektrode 110, die einen Entladungsraum 140 kontaktiert, liegt der Innenoberfläche des Öffnungsumfangs der Masseelektrodenöffnung 132, die den Entladungsraum 140 kontaktiert, nicht gegenüber, und beide Oberflächen sind so ausgebildet, dass sie nahezu orthogonal zueinander sind.
  • Des Weiteren ist ein ringförmiger Halbleiterabschnitt 150, der an die Masseelektrode 131 anstößt, um mit der Masseelektrode 131 leitfähig zu sein, bei der Spitze des elektrischen Isolators 120 ausgebildet. Als der Halbleiterabschnitt 150 werden beispielsweise Halbleiterkeramiken verwendet, die Zinnoxid oder Hafnium umfassen.
  • Die elektrische Entladungsenergiezufuhrschaltung 20 umfasst eine erste Batterie 21, einen Zündschalter 22, eine Zündspule 23, eine Zündeinrichtung 24, die einen Transistor umfasst, und eine elektronische Steuerungseinheit 25, wobei sie mit der Plasmazündkerze 10 über einen Gleichrichter 26 verbunden ist.
  • Die erste Batterie 21 ist auf der Seite einer Anode geerdet bzw. mit Masse verbunden und eine Gleichrichtung wird mit dem Gleichrichter 26 angewendet, so dass die Mittelelektrode 110 als eine Anode fungieren kann. Die elektrische Plasmaerzeugungs-Energiezufuhrschaltung 30 umfasst eine zweite Batterie 31, einen Widerstand 32 und Kondensatoren 33 für eine Plasmaerzeugung und ist mit der Plasmazündkerze 10 über einen Gleichrichter 34 verbunden.
  • Die zweite Batterie 31 ist auf der Seite einer Kathode mit Masse verbunden und eine Gleichrichtung wird durch den Gleichrichter 34 angewendet, so dass die Mittelelektrode 110 als eine Anode fungieren kann.
  • Wenn der Zündschalter 22 eingeschaltet wird, wird durch ein Zündsignal von der ECU 25 eine negative Primärspannung mit einer niedrigen Spannung von der ersten Batterie 21 an eine erste Wicklung 231 der Zündspule 23 angelegt. Die Primärspannung wird durch das Schalten der Zündeinrichtung 24 abgeschaltet, ein Magnetfeld in der Zündspule 23 ändert sich und eine positive Sekundärspannung von 10 bis 30 kV wird in einer Sekundärwicklung 232 der Zündspule 23 durch Selbstinduktion induziert.
  • In der Zwischenzeit werden die Kondensatoren 33 für eine Plasmaerzeugung mit der zweiten Batterie 31 aufgeladen (beispielsweise 450 V, 120 A).
  • Wenn die angelegte Sekundärspannung eine zu einer Entladungsentfernung 141 zwischen der Mittelelektrode 110 und der Masseelektrode 131 proportionale Entladungsspannung überschreitet, startet eine Entladung zwischen beiden Elektroden und das Gas in dem Entladungsraum 140 gelangt in einem kleinen Bereich in den Plasmazustand.
  • Das Gas in dem Plasmazustand weist eine elektrische Leitfähigkeit auf, verursacht, dass zwischen beiden Elektroden der Kondensatoren 33 gespeicherte elektrische Ladung entladen wird, induziert ferner den Plasmazustand des Gases in dem Entladungsraum 140 und dehnt den Bereich aus.
  • Die Temperatur und der Druck eines derartigen Gases in dem Plasmazustand nimmt zu und das Gas wird in die Verbrennungskammer einer Verbrennungskraftmaschine injiziert.
  • Hierbei können die elektrische Entladungsenergiezufuhrschaltung 20 und die elektrische Plasmaerzeugungs-Energiezufuhrschaltung 30 ebenso bei einem zweiten Ausführungsbeispiel bis zu einem elften Ausführungsbeispiel angewendet werden, wobei die Ausführungsbeispiele nachstehend beschrieben sind.
  • Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wie es in 2 gezeigt ist, strömen, da die Mittelelektrode 110 eine Anode ist, Elektronen von der Masseelektrode 131 zu der Mittelelektrode 110 mittels Entladung, nur die Elektroden 51 mit kleinen Massen kollidieren mit der Mittelelektrode 110, positive Ionen 50 mit großen Massen, wie beispielsweise Stickstoffionen, stoßen die Mittelelektrode 110 als die Anode in dem Gas in dem Plasmazustand ab, wobei somit die Oberfläche der Mittelelektrode 110 nicht durch Kathodenzerstäuben erodiert.
  • Demgegenüber ist die Masseelektrode 131 eine Kathode, wobei somit die zugehörige Oberfläche durch positive Ionen 50 mit großen Massen erodiert werden kann. Da jedoch die Oberfläche der Masseelektrode 131, die dem Entladungsraum 140 gegenüberliegt, so angeordnet ist, dass sie nahezu orthogonal zu der Injektionsrichtung des Gases in dem Plasmazustand ist, kollidieren die positiven Ionen 50 schräg mit der Oberfläche der Masseelektrode 131. Folglich ist die Kollisionskraft der positiven Ionen 50 abgeschwächt, und der Erosionsgrad durch das Kathodenzerstäuben wird niedriger als in dem herkömmlichen Fall, bei dem die Mittelelektrode eine Kathode ist.
  • Ferner nimmt der Durchmesser der Masseelektrodenöffnung 132 zu der Spitze (dem freien Ende oder untersten Ende in der Figur) hin mit einem großen Winkel zu, so dass er größer ist als der Innendurchmesser des elektrischen Isolators 120, wobei somit die Kollisionskraft der positiven Ionen 50 weiter abgeschwächt wird. Zusätzlich ist, obwohl die Erosion der Oberfläche der Masseelektrode 131 fortschreitet, die Änderung der Entladungsentfernung 141 in der axialen Richtung klein, wobei somit eine schnelle Vergrößerung einer Entladungsspannung verhindert wird und eine Fehlzündung vermieden wird. Des Weiteren ist es, da die Masseelektrode 131 direkt in den Motorblock 40 mit dem Gehäuseschraubabschnitt 133 eingeschraubt ist, für die Masseelektrode 131 wahrscheinlicher, dass sie Wärme abstrahlt, als für die Mittelelektrode 110. Dementsprechend ist es möglich, die Abnutzung einer Elektrode weiter als in dem herkömmlichen Fall zu unterdrücken, bei dem die Mittelelektrode 110 eine Kathode ist.
  • Außerdem werden durch Ausbilden des Halbleiterabschnitts 150 bei einem Teil der Oberfläche des elektrischen Isolators 120 Elektronen reichlich von der Oberfläche des Halbleiterabschnitts 150 entladen, da der Halbleiterabschnitt 150 viele Gitterdefekte aufweist und wahrscheinlich Elektronen entlädt, und die Entladungsroute als ein Elektronenfluss von der Oberfläche des elektrischen Isolators 120 durch die elektrostatische Abstoßungskraft von den auf der Oberfläche des elektrischen Isolators 120 entladenen Elektronen hochgeht.
  • Als Ergebnis ist es möglich, auch wenn eine Entladung wiederholt wird, das Kanalbildungsphänomen zu verhindern, bei dem sich durch das Kathodenzerstäuben zerstreutes Metall auf der Oberfläche des elektrischen Isolators 120 ablagert und sich eine elektrisch leitfähige Verbindung ausbildet.
  • (Zweites Ausführungsbeispiel)
  • In einem zweiten Ausführungsbeispiel, wie es in 3A gezeigt ist, ist eine Schutzschicht 160 so ausgebildet, dass sie die in den Motorblock 40 freigelegte Oberfläche abdeckt, die zu der dem Entladungsraum 140 gegenüberliegenden Oberfläche der Masseelektrodenöffnung 132 unterschiedlich ist.
  • Ferner nimmt der Durchmesser der Masseelektrodenöffnung 132 zu, um hin zu der Spitze größer zu sein, und eine Schutzschichtöffnung 161, die mit der Masseelektrodenöffnung 132 in Verbindung steht, ist in der Schutzschicht 160 ausgebildet. Die Schutzschicht 160 ist in einer nahezu ringförmigen Form mit einem isolierenden Material getrennt von der Masseelektrode 131 ausgebildet und mit der Masseelektrode 131 mittels einer Schraubverbindung, eines Einpassens oder dergleichen verbunden.
  • In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird zusätzlich zu den Vorteilen, die ähnlich zu denen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind, die Form der Öffnung, durch die Gas in dem Plasmazustand injiziert wird, mit der Schutzschichtöffnung 161 aufrechterhalten, auch wenn die Erosion der dem Entladungsraum der Masseelektrodenöffnung 132 gegenüberliegenden Oberfläche durch einen Langzeitgebrauch durch das Kathodenzerstäuben fortschreitet und ein erodierter Teil 139, der sich zu der Außenseite senkt, ausgebildet ist, wie es in 3B gezeigt ist.
  • Ferner kann die Schutzschicht 160 die Masseelektrode 131 ebenso vor Wärme schützen, die in dem Motorblock 40 während einer Verbrennung erzeugt wird, wobei somit eine weitere Ausdehnung der Dienstlebensdauer der Masseelektrode 131 erwartet werden kann.
  • (Drittes Ausführungsbeispiel)
  • In einem dritten Ausführungsbeispiel, wie es in 4A gezeigt ist, ist die Schutzschicht 160 so ausgebildet, dass lediglich ein Teil der Seitenoberfläche der Öffnung der Masseelektrode 131 zu dem Entladungsraum 140 als die Masseelektrodenöffnung 132 freigelegt ist. Zusätzlich zu den Vorteilen gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nimmt die elektrische Feldstärke an dem Entladungsabschnitt zu und ein Entladen wird durch eine Verringerung des Oberflächenbereichs der Masseelektrodenöffnung 132 vereinfacht. Es ist somit möglich, die Abnutzungsgeschwindigkeit der Masseelektrode 131 weiter zu verringern.
  • Es wird allgemein berücksichtigt, dass bei Ausbildung einer Kanalbildung auf der Innenwand des elektrischen Isolators 120, der den Entladungsraum 140 bildet, eine Entladung von Elektronen in den Entladungsraum 140 behindert wird. Es wird jedoch erwartet, dass eine auf der Bodenfläche des elektrischen Isolators 120 ausgebildete Kanalbildung Funktionen zum Unterdrücken der Vergrößerung eines Entladungspotenzials und zum Kompensieren der Abnutzung der Masseelektrode 131 aufweist.
  • Dementsprechend erscheint, da der Oberflächenbereich der Masseelektrodenöffnung 132 schmal ist, der Entladungsabschnitt in einem spezifischen Bereich, wobei sich eine Erosion durch das Kathodenzerstäuben in dem schmalen Bereich konzentriert, eine Kanalbildung wahrscheinlich bei der Bodenfläche des elektrischen Isolators 120 auftritt, die Vergrößerung des Entladungspotenzials unterdrückt wird und die Abnutzung der Masseelektrode 131 kompensiert wird. Es ist somit zu erwarten, dass die Haltbarkeit einer Plasmazündvorrichtung weiter verbessert wird.
  • (Viertes Ausführungsbeispiel)
  • In einem vierten Ausführungsbeispiel, wie es in 4B gezeigt ist, ist die Öffnung 161 der Schutzschicht 160 in einer spitz zulaufenden Form ausgebildet, so dass der zugehörige Durchmesser sich allmählich zu der Spitze (dem freien Ende, das in der Figur am weitesten unten ist) hin verringern kann. Die Schutzschicht 160 ist elektrisch isolierend und wird durch das Kathodenzerstäuben nicht erodiert. Somit kann sie in der spitz zulaufenden Form ausgebildet sein, um zu der Innenseite des Entladungsraums 140 hin herauszuragen.
  • Dementsprechend ist es zusätzlich zu den Vorteilen gemäß dem ersten, dem zweiten und dem dritten Ausführungsbeispiel, möglich, den Strom eines Gases in dem Plasmazustand zu glätten, wenn es injiziert wird, die Richtwirkung der Injektionsrichtung des Gases in dem Plasmazustand zu verbessern und ferner die Stabilität einer Plasmazündvorrichtung durch den spitz zulaufenden Abschnitt 161, der in der Schutzschicht 160 ausgebildet ist, zu verbessern, auch wenn die Erosion der Masseelektrodenöffnung 132, auf der die Schutzschicht 160 nicht ausgebildet ist, der Masseelektrode 131 aufgrund eines Langzeitgebrauchs fortschreitet.
  • (Fünftes Ausführungsbeispiel)
  • In einem fünften Ausführungsbeispiel, wie es in 4C gezeigt ist, ist die Schutzschicht 160 ein Filmelement, das auf der Oberfläche der Masseelektrode 131 mit Ausnahme der Masseelektrodenöffnung 132 ausgebildet ist. Als ein Verfahren zum Bilden der Schutzschicht 160 kann beispielsweise ein Beschichten durch thermisches Spritzen, CVD oder dergleichen angewendet werden.
  • (Sechstes Ausführungsbeispiel)
  • In einem sechsten Ausführungsbeispiel, wie es in 5A gezeigt ist, umfasst die Schutzschicht 160 Materialien mit unterschiedlichen elektrischen Leitungsfähigkeiten, wobei sie mehrschichtig ausgebildet ist. Eine innerste Schicht 170, die die Masseelektrode 131 kontaktiert, ist elektrisch leitfähig, eine äußerste Schicht 190, die dem Entladungsraum gegenüberliegt, ist elektrisch isolierend, und eine geneigte Schicht 180, die Zwischeneigenschaften der innersten Schicht 170 und der äußersten Schicht 190 aufweist, ist zwischen der innersten Schicht 170 und der äußersten Schicht 190 ausgebildet.
  • Wie es in 5B gezeigt ist, wird ein elektrisch leitfähiges Material mit einem spezifischen Widerstand (spezifischer elektrischer Widerstand) von 10–4 Ω·cm oder weniger für die innerste Schicht 170 verwendet, ein elektrisch isolierendes Material mit einem spezifischen Widerstand von 108 Ω·cm oder mehr wird für die äußerste Schicht 190 verwendet und ein Material, das durch ein proportionales Mischen des elektrisch leitfähigen Materials und des elektrisch isolierenden Materials hergestellt wird, so dass der spezifische Widerstand allmählich von der innersten Schicht 170 zu der äußersten Schicht 190 zunimmt, wird für die geneigte Schicht 180 verwendet. Somit wird die elektrische Leitfähigkeit allmählich von der innersten Schicht 170 zu der äußersten Schicht 190 verkleinert.
  • Ein gesinterter Körper, der die Masseelektrode 131 und die Schutzschicht 160 integriert, kann durch Verdichten eines Pulvermaterials in einer Form in einer Vakuumkammer, durch Bilden eines nahezu ringförmigen Formkörpers, durch weiteres unter Druck setzen des Formkörpers und gleichzeitigem Anlegen einer gepulsten Spannung an den Formkörper über die Form und durch Sintern des Formkörpers durch thermische Energie, die in dem Formkörper erzeugt wird, bereitgestellt werden. Dann kann das Gehäuse 130, in dem die Masseelektrode 131 und die Schutzschicht 160 vollständig integriert sind, bereitgestellt werden, indem der gesinterte Körper mit der Spitze des Gehäuseschraubabschnitts 133 durch Laserschweißen oder dergleichen verbunden wird.
  • Andernfalls kann ein Filmelement, das ähnlich zu dem gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel ist, unter Verwendung einer Vielzahl von Materialien ausgebildet werden, die beliebige spezifische Widerstände aufweisen, die von elektrisch leitfähig bis elektrisch isolierend reichen, wobei eine Vielzahl von Filmen mit unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten geschichtet wird.
  • (Siebtes Ausführungsbeispiel)
  • In einem siebten Ausführungsbeispiel, wie es in 6A gezeigt ist, ist die mit dem Innendurchmesser des elektrischen Isolators 120 in Verbindung stehende Masseelektrodenöffnung 132 in der Masseelektrode 131 ausgebildet. Außerdem nehmen die Innendurchmesser des elektrischen Isolators 120 und der Masseelektrodenöffnung 132 zu der unteren Seite (freien Endseite) der Spitze hin zu. Ferner nimmt der Durchmesser der Masseelektrodenöffnung 132 zu der Spitze hin mit einem breiteren Winkel zu, so dass er größer ist als der Innendurchmesser des elektrischen Isolators 120.
  • Dementsprechend nimmt zusätzlich zu den Vorteilen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, da der Innendurchmesser der Masseelektrode 131 zu der Spitze hin zunimmt, die Übertragungsentfernung von positiven Ionen 50 in der radialen Richtung, nämlich in der Richtung, die orthogonal zu der Injektionsrichtung ist, bis die positiven Ionen mit der Oberfläche der Öffnung 132 der Masseelektrode 131 kollidieren, zu. Ferner schwächt sich die Kollisionskraft der positiven Ionen in dem Plasmazustand ab und die Erosion der Masseelektroden durch das Kathodenzerstäuben kann verringert werden.
  • Die Konfiguration kann ebenso in den ersten bis sechsten Ausführungsbeispielen angewendet werden.
  • (Achtes Ausführungsbeispiel)
  • In einem achten Ausführungsbeispiel, wie es in 6B gezeigt ist, umfasst der Halbleiterabschnitt 150 einen Film, der auf der Oberfläche des elektrischen Isolators 120 ausgebildet ist. Der Halbleiterabschnitt 150 kann in einfacher Weise durch ein Verfahren, wie beispielsweise Aufdampfung, Dickschichtdrucken, CVD oder dergleichen, ausgebildet werden.
  • In der vorliegenden Konfiguration können ebenso die gleichen Vorteile wie in dem siebten Ausführungsbeispiel bereitgestellt werden.
  • Diese Konfiguration kann ebenso in den ersten bis sechsten Ausführungsbeispielen angewendet werden.
  • (Neuntes Ausführungsbeispiel)
  • In einem neunten Ausführungsbeispiel, wie es in 6C gezeigt ist, sind die Oberfläche der Masseelektrode 131 und die Oberfläche der Mittelelektrode 110 so angeordnet, dass sie nahezu orthogonal zueinander sind. Die Mittelelektrode 110 ist eine Anode und die Masseelektrode 131 ist eine Kathode. Folglich kollidieren positive Ionen in dem Plasmazustand schräg mit der Oberfläche der Masseelektrode 110. Somit ist die Kollisionskraft der positiven Ionen abgeschwächt und der durch das Kathodenzerstäuben verursachte Erosionsgrad nimmt im Vergleich mit dem herkömmlichen Fall ab, bei dem die Mittelelektrode 110 eine Kathode ist.
  • Diese Konfiguration kann ebenso in den ersten bis sechsten Ausführungsbeispielen angewendet werden.
  • (Zehntes Ausführungsbeispiel)
  • In einem zehnten Ausführungsbeispiel, wie es in 6D gezeigt ist, ist eine Innenoberfläche 123 des elektrischen Isolators 120 in eine konkav gekrümmte Oberfläche geformt, während der Durchmesser der Innenoberfläche 123 zu der Spitze hin zunimmt. Diese Konfiguration verhindert eine Kanalbildung auf der elektrischen Isolatoroberfläche 123, die dem Entladungsraum 140 gegenüberliegt.
  • Diese Konfiguration kann ebenso in den ersten bis sechsten Ausführungsbeispielen angewendet werden.
  • (Elftes Ausführungsbeispiel)
  • In einem elften Ausführungsbeispiel, wie es in 7A und 7B gezeigt ist, weist die Masseelektrode 131 eine Vielzahl von Vorsprüngen 136 auf, die zu der Mitte in der radialen Richtung herausragen. Eine elektrische Feldstärke wird lokal bei den Vorsprüngen 136 konzentriert, eine Entladung wird weiter vereinfacht, die Kollisionskraft von positiven Ionen wird abgeschwächt, da die zu den Vorsprüngen 136 unterschiedlichen Abschnitte nach außen einklappen, und die Haltbarkeit der Masseelektrode 131 wird als Ganzes weiter verbessert.
  • Diese Konfiguration kann ebenso in den ersten bis zehnten Ausführungsbeispielen angewendet werden.
  • In den ersten bis elften Ausführungsbeispielen können die Energiezufuhrschaltungen 20 und 30 wie in 8A und 8B gezeigt modifiziert werden.
  • (Modifikationen)
  • In dem Fall gemäß 8A ist die Kathodenseite der ersten Batterie 21 der elektrischen Entladungsenergiezufuhrschaltung 20 mit Masse verbunden und die Polaritäten der Zündspule 23 und der Zündeinrichtung 24 sind entsprechend der Polarität der ersten Batterie eingestellt. Es ist möglich, eine hohe positive Spannung an die Plasmazündkerze 10 anzulegen. Vorteile, die ähnlich zu denen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind, können bereitgestellt werden.
  • Ferner ist in dem Fall gemäß 8B die elektrische Plasmaerzeugungs-Energiezufuhrschaltung 30 mit der ersten Batterie 21 über einen Gleichstromwandler (DC-DC-Wandler) 38 oder dergleichen verbunden, so dass unterschiedliche Spannungen durch die elektrische Entladungsenergiezufuhrschaltung 20 und die elektrische Plasmaerzeugungs-Energiezufuhrschaltung 30 erzeugt werden.
  • Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele können ebenso bei einer Mehrzylinder-Kraftmaschine, die eine Vielzahl von Zündkerzen aufweist, angewendet werden.
  • Wie es vorstehend beschrieben ist, ist eine Plasmazündvorrichtung (1) mit einer Plasmazündkerze (10), die ein Isolationselement (120) zum Isolieren einer Mittelelektrode (110) von einer Masseelektrode (131) aufweist, und elektrischen Energiezufuhrschaltungen (20, 30) zum Anlegen hoher Spannungen an die Plasmazündkerze (10) versehen. Die Plasmazündvorrichtung (1) aktiviert das Gas in einem Entladungsraum (140) des Isolationselement (120) in das Plasma mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck durch die zwischen der Mittelelektrode (110) und der Masseelektrode (131) angelegte hohe Spannung und injiziert dieses in eine Verbrennungskraftmaschine. Die elektrischen Energiezufuhrschaltungen (20, 30) sind mit der Mittelelektrode (110) als eine Anode und mit der Masseelektrode (131) als eine Kathode verbunden.

Claims (12)

  1. Plasmazündvorrichtung (1) mit: einer Plasmazündkerze (10), die mit einer Mittelelektrode (110), einer Masseelektrode (131) und einem Isolationselement (120) zum Isolieren der Mittelelektrode (110) von der Masseelektrode (131) versehen ist, und einer elektrischen Energiezufuhrschaltung (20, 30) zum Anlegen einer hohen Spannung zwischen der Mittelelektrode (110) und der Masseelektrode (131), so dass die Plasmazündkerze (10) ein Gas in einem Entladungsraum (140) des Isolationselements (120) in einen Plasmazustand mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck durch die hohe Spannung aktiviert, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energiezufuhrschaltung (20, 30) mit der Mittelelektrode (110) und der Masseelektrode (131) als eine Anode bzw. eine Kathode verbunden ist.
  2. Plasmazündvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Isolationselement (120) in einer zylindrischen Form ausgebildet ist, die einen Außenumfang der in einer Form eines Stabs ausgebildeten Mittelelektrode (110) abdeckt und sich mehr nach außen erstreckt als eine Endfläche der Mittelelektrode (110), und die Masseelektrode (131) in einer zylindrischen Form ausgebildet ist, die ein Bodenende aufweist, das einen Außenumfang des Isolationselements (120) abdeckt, und an einem Spitzenende hin zu einer Mitte des Entladungsraums (140) in einer radialen Richtung gebogen ist, wobei sie eine Masseelektrodenöffnung (132) aufweist, die mit einem Innendurchmesser des Isolationselements (120) in Verbindung steht.
  3. Plasmazündvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, mit: einer Schutzschicht (160), die ausgebildet ist, um eine Oberfläche der Masseelektrode (131) in einem Zustand abzudecken, bei dem zumindest ein Teil einer Oberfläche der dem Entladungsraum (140) gegenüberliegenden Masseelektrodenöffnung (132) zu dem Entladungsraum (140) freigelegt ist.
  4. Plasmazündvorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei die Schutzschicht (160) eine Mehrfachschicht (170, 180, 190) ist, die Materialien mit unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten umfasst, die Mehrfachschicht (170, 180, 190) eine innerste Schicht (170), die die Oberfläche der Masseelektrode (131) kontaktiert und elektrisch leitfähig ist, und eine äußerste Schicht (190) umfasst, die dem Entladungsraum (140) gegenüberliegt und elektrisch isolierend ist, und eine elektrische Leitfähigkeit allmählich von der innersten Schicht (170) zu der äußersten Schicht (190) verkleinert wird.
  5. Plasmazündvorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Schutzschicht (160) ein Filmelement ist, das auf der Oberfläche der Masseelektrode (131) ausgebildet ist.
  6. Plasmazündvorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei die Schutzschicht (160) ein gesinterter Formkörper ist, der durch proportionales Mischen von Materialien mit unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten hergestellt wird.
  7. Plasmazündvorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei die Schutzschicht (160) aus einem Isolationsmaterial hergestellt ist und ein Element ist, das getrennt von der Masseelektrode (131) ausgebildet ist.
  8. Plasmazündvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei ein Durchmesser einer Öffnung (161) der Schutzschicht (160) sich allmählich zu einem freien Ende hin verringert.
  9. Plasmazündvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Innendurchmesser des Isolationselements (120) und ein Durchmesser einer Öffnung (132) der Masseelektrode (131) allmählich zunimmt, so dass ein Durchmesser des Entladungsraums (140) zu einem freien Ende hin zunehmen kann.
  10. Plasmazündvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem Halbleiterabschnitt (150), der bei einem Teil einer Oberfläche des Isolationselements (120) ausgebildet ist, dem Entladungsraum (140) gegenüberliegt und an die Masseelektrode (131) anstößt.
  11. Plasmazündvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein Durchmesser einer Masseelektrodenöffnung (132) mit einem breiteren Winkel zunimmt, um größer zu sein als ein Innendurchmesser des Isolationselements (120).
  12. Plasmazündvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Masseelektrode (131) eine Vielzahl von Vorsprüngen (136) aufweist, die sich radial nach innen erstrecken.
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