-
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.