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[Technisches Gebiet]
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Plasmastrahl-Zündkerze, die ein Luft-Kraftstoff-Gemisch durch die Bildung von Plasma zündet.
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[Allgemeiner Stand der Technik]
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Herkömmlicherweise verwendet eine Verbrennungsvorrichtung, wie beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine, eine Zündkerze, um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch durch Funkenentladung zu zünden. In den letzten Jahren ist, um dem Bedarf an höherer Leistung und niedrigerem Kraftstoffverbrauch gerecht zu werden, eine Plasmastrahl-Zündkerze vorgeschlagen, da die Plasmastrahl-Zündkerze eine schnelle Ausbreitung der Verbrennung gewährleistet und selbst ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch, das ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit höherer Zündgrenze hat, zuverlässiger zünden kann.
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Im Allgemeinen umfasst die Plasmastrahl-Zündkerze einen röhrenförmigen Isolator, der ein axiales Loch hat, eine Mittelelektrode, die auf eine solche Weise in das axiale Loch eingesetzt ist, dass eine vordere Endfläche derselben innerhalb einer vorderen Endfläche des Isolators angeordnet ist, einen metallischen Mantel, der um den Isolator angeordnet ist, und eine ringförmige Masseelektrode, die mit einem vorderen Endabschnitt des metallischen Mantels verbunden ist. Die Plasmastrahl-Zündkerze hat ebenfalls einen Raum (Hohlraum), der durch die vordere Endfläche der Mittelelektrode und eine Wandfläche des axialen Lochs definiert wird. Der Hohlraum steht über ein Durchgangsloch, das in der Masseelektrode geformt ist, in Verbindung mit einer umgebenden Atmosphäre.
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Außerdem zündet eine solche Plasmastrahl-Zündkerze ein Luft-Kraftstoff-Gemisch wie folgt. Zuerst wird eine Spannung zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode angelegt, wodurch eine Funkenentladung zwischen denselben erzeugt und folglich einen dielektrischen Durchschlag zwischen denselben verursacht wird. In diesem Zustand wird ein hochenergetischer Strom zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode angelegt, um einen Übergang eines Entladungszustandes zu bewirken, wodurch Plasma innerhalb des Hohlraums erzeugt wird. Das erzeugte Plasma wird durch eine Öffnung des Hohlraums entladen oder gestrahlt, wodurch das Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet wird (siehe zum Beispiel das Patentdokument 1).
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[Dokument des Standes der Technik]
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[Patentdokument]
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- [Patentdokument 1] Japanische Patentanmeldungsschrift (kokai) Nr. 2007-287666
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Die
EP 2 166 628 A1 beschreibt eine Plasmastrahl-Zündkerze mit einer Mittelelektrode mit einer Elektrodenspitze aus Wolfram.
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[Kurzdarstellung der Erfindung]
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[Durch die Erfindung zu lösendes Problem]
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Übrigens entsteht, da die Funkenentladung zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode längs der Innenumfangsfläche des Isolators auftritt, eine Erscheinung (die sogenannte Kanalbildung), bei der die Funkenentladung den Isolator längs eins Funkenentladungsweges erodieren lässt. Unter einer Vielzahl von Funkenentladungswegen wird ein Funkenentladungsweg, der durch einen Raum hindurchgeht, der als ein Ergebnis der Erosion des Isolators gebildet wird, kürzer als die übrigen Wege. Daher konzentriert sich die Funkenentladung an diesem Weg, was zu einer örtlichen Konzentration der Kanalbildung führt. Im Ergebnis dessen wird der Isolator in der Form eines Streifens tief erodiert, wodurch eine Rille in der Wandfläche des Isolators gebildet werden kann, wobei sich die Rille zwischen der Mittelelektrode und einem Abschnitt der Masseelektrode erstreckt, der zu dem Außenumfang derselben hin angeordnet ist. Wenn die Funkenentladung mit der sich ergebenden Erzeugung von Plasma längs der Rille auftritt, wird das Strahlen des erzeugten Plasmas zum Äußeren des Hohlraums wegen des Vorhandenseins der Masseelektrode und anderer Gründe schwierig. Das heißt, die Plasmastrahl-Zündkerze zeigt ihre ausgezeichnete Zündleistung nur am Anfang, und die Zündleistung fällt im Ergebnis des Gebrauchs scharf ab.
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Die vorliegende Erfindung ist angesichts der obigen Umstände erdacht worden, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Plasmastrahl-Zündkerze bereitzustellen, die durch wirksame Verhinderung von Kanalbildung usw. über einen langen Zeitraum eine ausgezeichnete Zündleistung aufrechterhalten kann.
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[Mittel zum Lösen der Probleme]
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Als nächstes werden in aufgegliederter Form Konfigurationen beschrieben, die zum Erfüllen der obigen Aufgabe geeignet sind. Falls notwendig, werden zusätzlich Funktionen und Wirkungen, die für die Konfigurationen spezifisch sind, beschrieben.
- Konfiguration 1: Eine Plasmastrahl-Zündkerze, umfassend:
einen röhrenförmigen Isolator, der ein axiales Loch hat, das sich in einer Richtung einer Achse erstreckt,
eine Mittelelektrode, die derart in das axiale Loch eingesetzt ist, dass ihr vorderes Ende hinter dem vorderen Ende des Isolators angeordnet ist, und
einen Hohlraum, der durch eine Wandfläche des axialen Lochs und eine vordere Endfläche der Mittelelektrode definiert wird,
wobei die Zündkerze dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens ein vorderer Endabschnitt der Mittelelektrode aus einem ersten Teilabschnitt, der aus Wolfram (W) oder einer Legierung, die W als Hauptbestandteil enthält, geformt ist, und einem zweiten Teilabschnitt, der aus einem metallischen Werkstoff geformt ist, dessen Schmelzpunkt niedriger ist als derjenige des ersten Teilabschnitts, und der wenigstens teilweise zu dem Hohlraum freigelegt ist, gebildet ist.
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Gemäß einer ersten Variante der Konfiguration 1 kann der zweite Teilabschnitt mit dem vorderen Ende des ersten Teilabschnitts verbunden sein.
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Gemäß einer zweiten Variante der Konfiguration 1 kann der zweite Teilabschnitt mit einer seitlichen Umfangsfläche des ersten Teilabschnitts verbunden sein.
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Gemäß einer dritten Variante der Konfiguration 1 kann der erste Teilabschnitt mit einer seitlichen Umfangsfläche des zweiten Teilabschnitts verbunden sein.
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Insbesondere bedeutet der „Hauptbestandteil” einen Bestandteil, der in einem Werkstoff in der größten Menge enthalten ist (dies gilt ebenfalls für die folgende Beschreibung).
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Nach der oben beschriebenen Konfiguration 1 umfasst wenigstens ein vorderer End- oder Stirnabschnitt der Mittelelektrode den ersten Teilabschnitt, der aus W oder einer W-Legierung geformt ist. Daher kann die Erosionsbeständigkeit der Mittelelektrode gegenüber Funkenentladung usw. verbessert werden. Im Ergebnis dessen kann eine durch Elektrodenerosion verursachte Zunahme der Entladungsspannung beschränkt werden, wodurch ein Zeitraum, während dessen eine Funkenentladung (dementsprechend ein Plasma) erzeugt werden kann (im Folgenden als „Plasma-Erzeugungsfähigkeitszeitraum” bezeichnet), ausgedehnt werden kann.
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Darüber hinaus schmilzt nach der oben beschriebenen Konfiguration 1 der zweite Teilabschnitt, der zu dem Hohlraum freigelegt ist und einen verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt hat, und das geschmolzene Metall haftet an der Wandfläche des axialen Lochs und fungiert als ein Schutzfilm, der die Wandfläche des axialen Lochs vor Kanalbildung schützt. Indessen ist die Möglichkeit des Auftretens von Kanalbildung umso größer, je höher die Entladungsspannung ist. Da die Entladungsspannung auf Grund des Vorhandenseins des gebildeten Schutzfilms abnimmt, verringert sich die Möglichkeit des Auftretens von Kanalbildung. Das heißt, nach der oben beschriebenen Konfiguration 1 werden durch die Bildung des Schutzfilms synergetische Funktionen und Wirkungen erzielt, wodurch das Auftreten von Kanalbildung sehr wirksam verhindert werden kann. Im Ergebnis dessen wird eine Zunahme der Entladungsspannung beschränkt, und die ausgezeichnete Zündleistung der Plasmastrahl-Zündkerze kann für den Plasma-Erzeugungsfähigkeitszeitraum zuverlässiger aufrechterhalten werden.
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Insbesondere kann der vordere End- oder Stirnabschnitt, der aus dem ersten Teilabschnitt und dem zweiten Teilabschnitt gebildet ist, geformt sein mittels Verbinden, mit W oder einer W-Legierung, eines metallischen Werkstoffs, der einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als W oder die W-Legierung, oder mittels Pulvermetallurgie, d. h., des Vermischens von Pulver aus W oder einer W-Legierung und Pulver aus einem metallischen Werkstoff, der einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als W oder die W-Legierung, miteinander, gefolgt von Erhitzen. Das heißt, der erste und der zweite Teilabschnitt können solche, die durch die äußere Erscheinung voneinander unterschieden werden können, oder solche, die nicht voneinander unterschieden werden können, sein.
- Konfiguration 2: Eine Plasmastrahl-Zündkerze der vorliegenden Konfiguration ist dadurch gekennzeichnet, dass, in der obigen Konfiguration 1, der erste Teilabschnitt und der zweite Teilabschnitt miteinander verbunden sind.
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Nach der oben beschriebenen Konfiguration 2 kann der Schutzfilm zuverlässiger an der Wandfläche des axialen Lochs gebildet werden, wodurch die Beständigkeit gegen Kanalbildung zuverlässiger verbessert werden kann.
- Konfiguration 3: Eine Plasmastrahl-Zündkerze der vorliegenden Konfiguration ist dadurch gekennzeichnet, dass, in der obigen Konfiguration 1 oder 2, ein Abschnitt der Mittelelektrode, der sich längs der Achse, über eine Strecke von 0,5 mm, von dem vorderen Ende zu dem hinteren Ende der Mittellelektrode hin erstreckt, den zweiten Teilabschnitt hat und das Verhältnis des zweiten Teilabschnitts zu dem 0,5-mm-Abschnitt der Mittelelektrode 5 Masse-% oder mehr beträgt.
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Nach der oben beschriebenen Konfiguration 3 ist das Verhältnis des zweiten Teilabschnitts zu dem 0,5-mm-Abschnitt der Mittelelektrode auf 5 Masse-% oder mehr festgesetzt. Daher wird, im Ergebnis des Schmelzens des zweiten Teilabschnitts, ein Kanalbildung-Verhinderungsfilm an der Wandfläche des axialen Lochs über einen verhältnismäßig weiten Bereich derselben über einen längeren Zeitraum gebildet. Folglich kann Kanalbildung über einen längeren Zeitraum wirksamer verhindert werden, wodurch über einen längeren Zeitraum eine ausgezeichnete Zündleistung aufrechterhalten werden kann.
- Konfiguration 4: Eine Plasmastrahl-Zündkerze der vorliegenden Konfiguration ist dadurch gekennzeichnet, dass, in einer der obigen Konfigurationen 1 bis 3, ein Abschnitt der Mittelelektrode, der sich längs der Achse, über eine Strecke von 0,5 mm, von dem vorderen Ende zu dem hinteren Ende der Mittellelektrode hin erstreckt, den zweiten Teilabschnitt hat und das Verhältnis des zweiten Teilabschnitts zu dem 0,5-mm-Abschnitt der Mittelelektrode 30 Masse-% oder weniger beträgt.
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Um die Kanalbildung-Verhinderungswirkung zu verbessern, kann das Massenverhältnis des zweiten Teilabschnitts derart gesteigert werden, dass ein im Ergebnis des Schmelzens des zweiten Teilabschnitts gebildeter Schutzfilm im Wesentlichen die Gesamtheit der Wandfläche des axialen Lochs bedeckt. In einem solchen Fall ist es jedoch wahrscheinlicher, dass der Strom über den Schutzfilm aus der Mittellelektrode abgeleitet wird, was das Erzeugen einer Funkenentladung (dementsprechend eines Plasmas) verhindern kann.
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Im Gegensatz dazu ist nach der oben beschriebenen Konfiguration 4 das Verhältnis des zweiten Teilabschnitts zu dem 0,5-mm-Abschnitt der Mittelelektrode auf 30 Masse-% oder weniger festgesetzt. Daher kann eine Ableitung des Stroms zuverlässiger verhindert werden, wodurch die Funktionen und Wirkungen der oben beschriebenen Konfiguration 1 zuverlässiger erreicht werden können.
- Konfiguration 5: Eine Plasmastrahl-Zündkerze der vorliegenden Konfiguration ist dadurch gekennzeichnet, dass, in einer der obigen Konfigurationen 1 bis 4, der zweite Teilabschnitt mit dem vorderen Ende des ersten Teilabschnitts verbunden ist.
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Nach der oben beschriebenen Konfiguration 5 wird es wahrscheinlicher, dass der zweite Teilabschnitt vom Beginn des Gebrauchs an schmilzt, und ein Schutzfilm kann in einer verhältnismäßig frühen Phase nach dem Beginn des Gebrauchs an der Wandfläche des axialen Lochs gebildet werden. Dementsprechend kann Kanalbildung wirkungsvoller verhindert werden.
- Konfiguration 6: Eine Plasmastrahl-Zündkerze der vorliegenden Konfiguration ist dadurch gekennzeichnet, dass, in einer der obigen Konfigurationen 1 bis 5, der zweite Teilabschnitt mit der seitlichen Umfangsfläche des ersten Teilabschnitts verbunden ist.
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Nach der oben beschriebenen Konfiguration 6 ist der zweite Teilabschnitt mit der seitlichen Umfangsfläche (äußeren Umfangsfläche) des ersten Teilabschnitts verbunden. Daher wird, wenn die Zündkerze verwendet wird, der zweite Teilabschnitt nahe der Wandfläche des axialen Lochs durch Funkenentladung usw. erodiert und, nachdem die Erosion des zweiten Teilabschnitts bis zu einem bestimmten Grad voranschreitet, wird der erste Teilabschnitt erodiert. Anschließend, nachdem die Erosion des ersten Teilabschnitts bis zu einem bestimmten Grad voranschreitet, wird der zweite Teilabschnitt weiter erodiert (d. h., der zweite Teilabschnitt und der erste Teilabschnitt werden abwechselnd erodiert). Dementsprechend kann die Erosionsgeschwindigkeit der Mittelelektrode, gemessen längs der Richtung der Achse, abgeschwächt werden. Außerdem kann zuverlässiger verhindert werden, dass der vordere Endabschnitt der Mittelelektrode eine deformierte Gestalt annimmt. Im Ergebnis dessen kann eine Zunahme der Entladungsspannung im Ergebnis des Gebrauchs zuverlässiger unterdrückt werden und die Funkenentladung usw. kann über einen längeren langen Zeitraum geleistet werden.
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Darüber hinaus kann, nach der oben beschriebenen Konfiguration 6, nachdem der zweite Teilabschnitt geschmolzen ist und ein Schutzfilm gebildet worden ist, die Funkenentladung usw. erzeugt werden, wobei der erste Teilabschnitt als der Startpunkt der Funkenentladung usw. dient. Außerdem wird es, nachdem der Schutzfilm im Ergebnis der Funkenentladung zwischen dem ersten Teilabschnitt und der Masseelektrode erodiert worden ist (der erste Teilabschnitt ist bis zu einem bestimmten Grad erodiert worden), wahrscheinlicher, dass die Funkenentladung zwischen dem zweiten Teilabschnitt und der Masseelektrode auftritt, wodurch wieder ein Schutzfilm gebildet werden kann. Ferner haftet, da der zweite Teilabschnitt der Wandfläche des axialen Lochs verhältnismäßig nahe ist, das geschmolzene Metall leicht an der Wandfläche des axialen Lochs, wodurch zuverlässiger ein Schutzfilm gebildet werden kann. Das heißt, nach der oben beschriebenen Konfiguration 6 kann ein Schutzfilm zuverlässiger über einen langen Zeitraum, von der Anfangsphase des Gebrauchs an, an der Wandfläche des axialen Lochs gebildet und aufrechterhalten werden. Im Ergebnis dessen kann Kanalbildung mit beträchtlicher Wirksamkeit verhindert werden.
- Konfiguration 7: Eine Plasmastrahl-Zündkerze der vorliegenden Konfiguration ist dadurch gekennzeichnet, dass, in einer der obigen Konfigurationen 1 bis 6, der zweite Teilabschnitt aus Iridium (Ir) oder einer Legierung, die Ir als Hauptbestandteil enthält, geformt ist.
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Beispiele des Metalls, das einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als das zum Formen des ersten Teilabschnitts verwendete Metall (das heißt, des zum Formen des zweiten Teilabschnitts verwendeten Metalls) schließen Nickel (Ni) und Platin (Pt) ein. Falls jedoch der zweite Teilabschnitt, verglichen mit dem ersten Teilabschnitt, übermäßig erodiert wird, wenn die Zündkerze verwendet wird, kann die Entladungsspannung scharf zunehmen oder der Zeitraum, während dessen der Schutzfilm gebildet werden kann (im Folgenden als „Schutzfilm-Bildungsfähigkeitszeitraum” bezeichnet), kann kurz werden.
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Im Gegensatz dazu kann nach der oben beschriebenen Konfiguration 7, da der zweite Teilabschnitt aus Ir oder einer Ir-Legierung geformt ist, was einen verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt hat, das Auftreten einer Situation beschränkt werden, in welcher der zweite Teilabschnitt, verglichen mit dem ersten Teilabschnitt, übermäßig erodiert wird. Im Ergebnis dessen kann eine Zunahme der Entladungsspannung beschränkt werden, und der Schutzfilm-Bildungsfähigkeitszeitraum kann ausgedehnt werden, und eine weitere Unterdrückung von Kanalbildung wird möglich.
- Konfiguration 8: Eine Plasmastrahl-Zündkerze der vorliegenden Konfiguration ist dadurch gekennzeichnet, dass, in einer der obigen Konfigurationen 1 bis 7, der zweite Teilabschnitt einen Iridiumgehalt von 90 Masse-% oder mehr hat.
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Nach der oben beschriebenen Konfiguration 8 kann, da der Iridiumgehalt des zweiten Teilabschnitts 90 Masse-% oder mehr beträgt, eine Erosion des zweiten Teilabschnitts weiter beschränkt werden. Im Ergebnis dessen kann eine durch Erosion der Mittelelektrode verursachte Zunahme der Entladungsspannung wirksamer beschränkt werden.
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[Kurze Beschreibung der Zeichnungen]
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[1] Teilweise ausgeschnittene Vorderansicht, welche die Konfiguration einer Plasmastrahl-Zündkerze zeigt.
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[2] Vergrößerte teilweise Schnittansicht, welche die Konfiguration eines vorderen Endabschnitts der Mittelelektrode der Zündkerze zeigt.
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[3] Vergrößerte teilweise Schnittansicht, die ein anderes Beispiel des Hohlraums der Zündkerze zeigt.
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[4] Graphische Darstellung, die Ergebnisse einer auf einer Werkbank durchgeführten Funkenprüfung zeigt.
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[5] Graphische Darstellung, die Ergebnisse einer auf einer Bank durchgeführten Plasmabeständigkeitsprüfung für unterschiedliche Muster zeigt, die sich im Ir-Gehalt des zweiten Teilabschnitts unterscheiden.
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[6A und 6B] Vergrößerte teilweise Schnittansichten, die jeweils die Konfiguration einer Mittelelektrode in einer anderen Ausführungsform zeigen.
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[7] Vergrößerte teilweise Schnittansicht, welche die Konfiguration einer Mittelelektrode in noch einer anderen Ausführungsform zeigt.
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[8] Vergrößerte teilweise Schnittansicht, welche die Konfiguration einer Mittelelektrode in noch einer anderen Ausführungsform zeigt.
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[9] Vergrößerte teilweise Schnittansicht, welche die Konfiguration einer Mittelelektrode in noch einer anderen Ausführungsform zeigt.
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[10] Vergrößerte teilweise Schnittansicht, welche die Konfiguration einer Mittelelektrode in noch einer anderen Ausführungsform zeigt.
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[Wege zum Umsetzen der Erfindung]
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Als Nächstes werden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine teilweise ausgeschnittene Vorderansicht, welche die Konfiguration einer Plasmastrahl-Zündkerze (im Folgenden als die „Zündkerze” bezeichnet) 1 zeigt. Insbesondere wird in 1 die Richtung einer Achse CL1 der Zündkerze 1 als die vertikale Richtung bezeichnet. In der folgenden Beschreibung wird die untere Seite der Zündkerze 1 in 1 als die vordere Endseite der Zündkerze 1 bezeichnet und die obere Seite als die hintere Endseite.
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Die Zündkerze 1 schließt einen röhrenförmigen Isolator 2 und einen röhrenförmigen metallischen Mantel 3, der den Isolator 2 in demselben festhält, ein.
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Der Isolator 2 ist durch Brennen, wie es auf dem Gebiet gut bekannt ist, aus Aluminiumoxid oder dergleichen geformt. Der Isolator 2 umfasst, von außen gesehen, einen hinteren Schaftabschnitt 10, der an der hinteren Endseite geformt ist; einen Abschnitt 11 mit großem Durchmesser, der vor dem hinteren Schaftabschnitt 10 angeordnet ist und in Radialrichtung nach außen vorspringt; einen Zwischenschaftabschnitt 12, der vor dem Abschnitt 11 mit großem Durchmesser angeordnet ist und einen kleineren Durchmesser hat als der Abschnitt 11 mit großem Durchmesser; und einen Fußabschnitt oder Beinabschnitt 13, der vor dem Zwischenschaftabschnitt 12 angeordnet ist und einen kleineren Durchmesser hat als der Zwischenschaftabschnitt 12. Zusätzlich sind der Abschnitt 11 mit großem Durchmesser, der Zwischenschaftabschnitt 12 und der Fußabschnitt oder Beinabschnitt 13 des Isolators 2 innerhalb des metallischen Mantels 3 untergebracht. Ein verjüngter, abgestufter Abschnitt 14 ist an einem Verbindungsabschnitt zwischen dem Zwischenschaftabschnitt 12 und dem Fußabschnitt 13 geformt. Der Isolator 2 sitzt an dem abgestuften Abschnitt 14 am metallischen Mantel 3.
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Ferner hat der Isolator 2 ein axiales Loch 4, das sich längs der Achse CL1 erstreckt. Eine Mittelelektrode 5 ist fest in einen vorderen Endabschnitt des axialen Lochs 4 eingesetzt. Die Mittelelektrode 5 ist aus einem Basiselement und einer Elektrodenspitze 30, die an dem vorderen Ende des Basiselements bereitgestellt wird (insbesondere wird die Konfiguration der Elektrodenspitze 30 später ausführlicher beschrieben) gebildet. Das Basiselement ist aus einer inneren Lage 5A, die zum Beispiel aus Kuper oder einer Kupferlegierung hergestellt ist, was eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit hat, und einer äußeren Lage 5B, die aus einer Nickel-(Ni-)Legierung (z. B. INCONEL (Handelsmarke) 600 oder 601) hergestellt ist, die Nickel als Hauptbestandteil enthält, gebildet. Ferner nimmt die Mittelelektrode 5 als Ganzes eine stabartige (rund säulenförmige) Gestalt an. Die vordere End- oder Stirnfläche der Mittelelektrode 5 ist hinter der vorderen End- oder Stirnfläche des Isolators 2 angeordnet.
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Außerdem ist eine Anschlusselektrode 6 fest in einen hinteren Endabschnitt des axialen Lochs 4 eingesetzt und springt von dem hinteren Ende des Isolators 2 vor.
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Eine rund säulenförmige Glasdichtungslage 9 ist innerhalb des axialen Lochs 4 zwischen der Mittelelektrode 5 und der Anschlusselektrode 6 angeordnet. Die Glasdichtungslage 9 verbindet die Mittelelektrode 5 und die Anschlusselektrode 6 elektrisch miteinander und befestigt die Mittelelektrode 5 und die Anschlusselektrode 6 an dem Isolator 2.
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Der metallische Mantel 3 ist aus einem kohlenstoffarmen Stahl oder einem ähnlichen Metall zu einer röhrenförmigen Gestalt geformt. Der metallische Mantel 3 hat, an seiner äußeren Umfangsfläche, einen mit Gewinde versehenen Abschnitt (Außengewindeabschnitt) 15, der dafür eingerichtet ist, die Zündkerze 1 in einem Anbringungsloch einer Verbrennungsvorrichtung (z. B. einer Verbrennungskraftmaschine oder eines Brennstoffzellenreformers) anzubringen. Außerdem hat der metallische Mantel 3, an seiner äußeren Umfangsfläche, einen Sitzabschnitt 16, der hinter dem mit Gewinde versehenen Abschnitt 15 angeordnet ist. Eine ringartige Dichtung 18 ist an einem Schraubstutzen 17 an dem hinteren Ende des mit Gewinde versehenen Abschnitts 15 befestigt. Ferner hat der metallische Mantel 3, nahe dem hinteren Ende desselben, einen Werkzeug-Eingriffsabschnitt 19, der einen sechseckigen Querschnitt hat und es ermöglicht, dass ein Werkzeug, wie beispielsweise ein Schraubenschlüssel, mit demselben in Eingriff gebracht wird, wenn der metallische Mantel 3 an der Verbrennungsvorrichtung angebracht werden soll. Außerdem hat der metallische Mantel 3 einen Crimpabschnitt 20, der an einem hinteren Endabschnitt desselben bereitgestellt ist, um den Isolator 2 festzuhalten. Ferner hat der metallische Mantel 3 einen ringförmigen Eingriffsabschnitt 21, der an seinem vorderen Ende längs des Außenumfangs desselben geformt ist derart, dass der Eingriffsabschnitt 21 in Bezug auf die Richtung der Achse CL1 nach vorn vorspringt. Die Masseelektrode 27, die später beschrieben wird, ist mit dem Eingriffsabschnitt 21 verbunden.
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Außerdem hat der metallische Mantel 3, an seiner inneren Umfangsfläche, einen verjüngten, abgestuften Abschnitt 22, der dafür eingerichtet ist, dass der Isolator 2 darauf sitzt. Der Isolator 2 wird von dem hinteren Ende des metallischen Mantels 3 vorwärts in den metallischen Mantel 3 eingesetzt. In einem Zustand, in dem der abgestufte Abschnitt 14 des Isolators 2 an dem abgestuften Abschnitt 22 des metallischen Mantels 3 anstößt, wird ein Öffnungsabschnitt des hinteren Endes des metallischen Mantels 3 in Radialrichtung nach innen gecrimpt, d. h., es wird der Crimpabschnitt 20 geformt, wodurch der Isolator 2 an seinem Platz befestigt wird. Eine ringförmige Folienpackung 23 tritt zwischen die abgestuften Abschnitte 14 und 22 des Isolators 2 bzw. des metallischen Mantels 3. Dies erhält die Gasdichtheit einer Verbrennungskammer und verhindert ein Austreten von Brennstoffgas nach außen durch einen Zwischenraum zwischen dem Fußabschnitt 13 des Isolators 2 und der inneren Umfangsfläche des metallischen Mantels 3.
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Ferner treten, um die Gasdichtheit, die durch das Crimpen hergestellt wird, sicherzustellen, ringförmige Ringelemente 24 und 25 in einem Bereich nahe dem hinteren Ende des metallischen Mantels 3 zwischen den metallischen Mantel 3 und den Isolator 2, und ein Raum zwischen den Ringelementen 24 und 25 ist mit einem Talkumpulver 26 gefüllt. Das heißt, der metallische Mantel 3 hält den Isolator 2 über die Ringelemente 24 und 25 und das Talkum 26.
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Die scheibenförmige Masseelektrode 27 ist aus einer Ir-Legierung geformt, die Ir als Hauptbestandteil enthält, und hat eine vorbestimmte Dicke (z. B. 0,3 mm bis 1,0 mm, inklusive). Die Masseelektrode 27 wird wie folgt mit dem vorderen Endabschnitt des metallischen Mantels 3 verbunden: während die Masseelektrode 27 in Eingriff mit dem Eingriffsabschnitt 21 des metallischen Mantels 3 gebracht wird, wird ein Umfangsabschnitt der Masseelektrode 27 an den Eingriffsabschnitt 21 geschweißt.
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Zusätzlich hat die Masseelektrode 27 ein Durchgangsloch 28, das sich in der Dickenrichtung durch einen Mittelabschnitt derselben erstreckt. Wie in 2 gezeigt, definieren die Wandfläche des axialen Lochs 4 und die vordere Endfläche der Mittellelektrode 5 einen Hohlraum 29, der zu der vorderen Endseite hin offen ist. Der Hohlraum 29 steht über das Durchgangsloch 28 in Verbindung mit einer umgebenden Atmosphäre. Insbesondere ist der Hohlraum 29 ein Raum, der, genommen in einer Richtung, senkrecht zu der Achse CL1, eine kreisförmige Schnittgestalt hat, und hat einen Abschnitt 29A mit verringertem Durchmesser, an dem der Durchmesser zu der vorderen Endseite hin in Bezug auf die Richtung der Achse CL1 abnimmt. Außerdem ist bei der vorliegenden Ausführungsform die Masseelektrode 27 derart angefügt, dass das Durchgangsloch 28 und das axiale Loch 4 auf der gleichen Achse angeordnet sind (das heißt, die Mitte des Durchgangslochs 28 ist auf der Achse CL1 angeordnet).
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Insbesondere kann, wie in 3 gezeigt, der Hohlraum 29 in einer runden säulenförmigen Gestalt geformt sein, ohne die Bereitstellung des Abschnitts 29A mit verringertem Durchmesser.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 2 ist bei der vorliegenden Ausführungsform die Entfernung zwischen dem vorderen Ende der Mittelelektrode 5 und der Masseelektrode 27, gemessen längs der Oberfläche des Isolators 2 (die anfängliche Kriechstrecke) so festgesetzt, dass sie in einen vorbestimmten Bereich (z. B. 0,5 mm bis 2,5 mm, inklusive) fällt, um die Entladungsspannung zu verringern, während eine bestimmte Länge des Hohlraums 29 (gemessen längs der Achse CL1) sichergestellt wird, die erforderlich ist, um den Wirkungsgrad der Plasmaerzeugung zu verbessern. Außerdem wird, wie oben beschrieben, die Elektrodenspitze 30 am vorderen Ende der Mittelelektrode 5 bereitgestellt, und die Elektrodenspitze 30 besteht aus einem ersten Teilabschnitt 31 und einem zweiten Teilabschnitt 32.
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Der erste Teilabschnitt 31 nimmt die Form einer runden Säule an, die eine vorbestimmte Länge längs der Achse CL1 hat, und ist aus Wolfram (W) oder einer Legierung, die W als Hauptbestandteil enthält, geformt. Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt der W-Gehalt des ersten Teilabschnitts 31 90 Masse-% oder mehr. Der erste Teilabschnitt 31 ist derart mit einem vorderen Endabschnitt der äußeren Lage 5B verbunden, dass die Mittelachse des ersten Teilabschnitts 31 mit der Achse CL1 zusammenfällt.
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Insbesondere ist die Länge des ersten Teilabschnitts 31, gemessen längs der Achse CL1, auf der Grundlage der oben erwähnten anfänglichen Kriechstrecke festgesetzt. Im Einzelnen ist die Länge des ersten Teilabschnitts 31, gemessen längs der Achse CL1, so festgesetzt, dass sie gleich oder größer ist als ein Wert, der erhalten wird, durch das Subtrahieren der anfänglichen Kriechstrecke von einer Entladungsgrenzentfernung (z. B. 3 mm), die eine Entfernung zwischen der Mittelelektrode 5 und der Masseelektrode 27, gemessen längs der Oberfläche des Isolators 2, ist, wobei bei dieser Entfernung ohne das Anlegen einer übermäßig hohen Spannung eine Entladung zwischen den zwei Elektroden 5 und 27 erzeugt werden kann. Das heißt, die Spitze 30 ist derart konfiguriert, das während eines Zeitraums, in dem eine Entladung zwischen den zwei Elektroden 5 und 27 erzeugt werden kann, der erste Teilabschnitt 31 an dem vorderen Ende der Mittelelektrode 5 vorhanden ist. Insbesondere ist bei der vorliegenden Ausführungsform die Länge des ersten Teilabschnitts 31, gemessen längs der Achse CL1, auf 0,5 mm oder mehr festgesetzt.
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Der zweite Teilabschnitt 32 nimmt eine röhrenförmige Gestalt an und ist aus einem metallischen Werkstoff geformt, der einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als der erste Teilabschnitt 31. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der zum Formen des zweiten Teilabschnitts 32 verwendete Werkstoff Iridium (Ir) oder eine Legierung, die Ir als Hauptbestandteil enthält, und der Ir-Gehalt des zweiten Teilabschnitts 32 beträgt 90 Masse-% oder mehr. Der zweite Teilabschnitt 32 ist mit der seitlichen Umfangsfläche des ersten Teilabschnitts 31 verbunden und ist derart konfiguriert, dass seine vordere Endfläche zu dem Hohlraum 29 freigelegt ist, zusammen mit der vorderen Endfläche des ersten Teilabschnitts 31.
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Außerdem ist das Massenverhältnis des zweiten Teilabschnitts 32 zu einem Abschnitt der Mittelelektrode 5, wobei sich der Abschnitt längs der Achse CL1, über eine Strecke von 0,5 mm, von dem vorderen Ende zu dem hinteren Ende der Mittelelektrode 5 hin erstreckt, so festgesetzt, dass es in einen Bereich von 5% bis 30% auf Massebasis, inklusive, fällt. Insbesondere ist bei der vorliegenden Ausführungsform wenigstens der 0,5-mm-Abschnitt der Mittelelektrode 5, der sich längs der Achse CL1 von dem vorderen Ende zu dem hinteren Ende derselben hin erstreckt, aus dem ersten Teilabschnitt 31 und dem zweiten Teilabschnitt 32 geformt. Dementsprechend ist in einem 0,5-mm-Bereich, der sich längs der Achse CL1 von dem vorderen Ende der Mittelelektrode 5 zu dem hinteren Ende derselben erstreckt, das Massenverhältnis zwischen dem ersten Teilabschnitt 31 und dem zweiten Teilabschnitt 32 so festgesetzt, dass es in einen Bereich von 19:1 bis 7:3 fällt.
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Wie oben ausführlich beschrieben, umfasst nach der vorliegenden Ausführungsform wenigstens ein vorderer Endabschnitt der Mittelelektrode 5 den ersten Teilabschnitt 31, der aus W oder einer W-Legierung geformt ist. Daher kann die Erosionsbeständigkeit der Mittelelektrode 5 gegenüber Funkenentladung usw. verbessert werden. Im Ergebnis dessen kann eine durch Elektrodenerosion verursachte Zunahme der Entladungsspannung beschränkt werden, wodurch ein Zeitraum, in dem eine Funkenentladung (dementsprechend ein Plasma) erzeugt werden kann, ausgedehnt werden kann.
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Darüber hinaus schmilzt der zweite Teilabschnitt 32, der zu dem Hohlraum 29 freigelegt ist und einen verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt hat, im Ergebnis der Erzeugung von Plasma, und das geschmolzene Metall haftet an der Wandfläche des axialen Lochs 4 und fungiert als ein Schutzfilm, der die Wandfläche des axialen Lochs 4 vor Kanalbildung schützt. Indessen ist die Möglichkeit des Auftretens von Kanalbildung umso größer, je höher die Entladungsspannung ist. Da die Entladungsspannung auf Grund des Vorhandenseins des gebildeten Schutzfilms abnimmt, verringert sich die Möglichkeit des Auftretens von Kanalbildung. Das heißt, nach der vorliegenden Ausführungsform werden durch die Bildung des Schutzfilms synergetische Funktionen und Wirkungen erzielt, wodurch das Auftreten von Kanalbildung sehr wirksam verhindert werden kann. Im Ergebnis dessen wird eine Zunahme der Entladungsspannung beschränkt, und die ausgezeichnete Zündleistung der Plasmastrahl-Zündkerze 1 kann für den Plasma-Erzeugungsfähigkeitszeitraum zuverlässiger aufrechterhalten werden.
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Darüber hinaus kann, da das Massenverhältnis des zweiten Teilabschnitts 32 in dem vorderen 0,5-mm-Endabschnitt der Mittelelektrode 5 5% auf Massebasis oder mehr beträgt, im Ergebnis des Schmelzens des zweiten Teilabschnitts 32, ein Kanalbildung-Verhinderungsfilm an der Wandfläche des axialen Lochs 4 über einen verhältnismäßig weiten Bereich derselben über einen längeren Zeitraum gebildet werden. Folglich kann Kanalbildung über einen längeren Zeitraum wirksamer verhindert werden, wodurch über einen längeren Zeitraum eine ausgezeichnete Zündleistung aufrechterhalten werden kann.
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In dessen ist in dem vorderen 0,5-mm-Endabschnitt der Mittelelektrode 5 das Massenverhältnis des zweiten Teilabschnitts 32 auf 30% auf Massebasis oder weniger festgesetzt. Daher kann eine Ableitung des Stroms zwischen der Mittelelektrode 5 und der Masseelektrode 27 zuverlässiger verhindert werden, wodurch die oben beschriebenen Funktionen und Wirkungen durch die Bildung des Schutzfilms zuverlässiger erreicht werden können.
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Überdies werden, da der zweite Teilabschnitt 32 mit der seitlichen Umfangsfläche (äußeren Umfangsfläche) des ersten Teilabschnitts 31 verbunden ist, der zweite Teilabschnitt 32 und der erste Teilabschnitt 31 abwechselnd erodiert, wenn die Zündkerze verwendet wird. Dementsprechend kann die Erosionsgeschwindigkeit der Mittelelektrode 5, gemessen längs der Richtung der Achse CL1, unterdrückt werden. Außerdem kann zuverlässiger verhindert werden, dass der vordere Endabschnitt der Mittelelektrode 5 eine deformierte Gestalt annimmt. Im Ergebnis dessen kann eine Zunahme der Entladungsspannung im Ergebnis des Gebrauchs zuverlässiger unterdrückt werden und die Funkenentladung usw. kann über einen längeren langen Zeitraum geleistet werden.
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Außerdem kann, da der zweite Teilabschnitt 32 um den ersten Teilabschnitt 31 bereitgestellt wird, nachdem der zweite Teilabschnitt 32 geschmolzen ist und ein Schutzfilm gebildet worden ist, die Funkenentladung usw. zwischen dem ersten Teilabschnitt 31 und der Masseelektrode 27 erzeugt werden. Außerdem wird es, nachdem der Schutzfilm im Ergebnis der Funkenentladung zwischen dem ersten Teilabschnitt 31 und der Masseelektrode 27 erodiert worden ist (der erste Teilabschnitt 31 ist bis zu einem bestimmten Grad erodiert worden), wahrscheinlicher, dass die Funkenentladung zwischen dem zweiten Teilabschnitt 32 und der Masseelektrode 27 auftritt, wodurch der Schutzfilm wieder gebildet werden kann. Ferner haftet, da der zweite Teilabschnitt 32 der Wandfläche des axialen Lochs 4 verhältnismäßig nahe ist, das geschmolzene Metall leicht an der Wandfläche des axialen Lochs 4, wodurch der Schutzfilm zuverlässiger gebildet werden kann. Durch diese Funktionen und Wirkungen kann der Schutzfilm zuverlässiger über einen langen Zeitraum, von der Anfangsphase des Gebrauchs an, an der Wandfläche des axialen Lochs 4 aufrechterhalten werden. Im Ergebnis dessen kann Kanalbildung mit beträchtlicher Wirksamkeit verhindert werden.
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Zusätzlich kann, da der zweite Teilabschnitt 32 aus Ir oder einer Ir-Legierung geformt ist, was einen verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt hat, das Auftreten einer Situation beschränkt werden, in welcher der zweite Teilabschnitt 32, verglichen mit dem ersten Teilabschnitt 31, übermäßig erodiert wird. Im Ergebnis dessen kann eine Zunahme der Entladungsspannung beschränkt werden, und der Schutzfilm-Bildungsfähigkeitszeitraum kann ausgedehnt werden, und eine weitere Unterdrückung von Kanalbildung wird möglich.
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Im Einzelnen kann bei der vorliegenden Ausführungsform, da der Iridiumgehalt des zweiten Teilabschnitts 32 auf 90 Masse-% oder mehr festgesetzt ist, eine Erosion des zweiten Teilabschnitts 32 mit beträchtlicher Wirksamkeit beschränkt werden und eine Zunahme der Entladungsspannung und Kanalbildung kann zuverlässiger beschränkt werden.
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Außerdem kann, da der Hohlraum 29 den Abschnitt 29A mit verringertem Durchmesser hat, Plasma heftig aus dem Durchgangsloch 28 gestrahlt werden, wodurch die Zündleistung verbessert werden kann. Insbesondere kann, obwohl das Bereitstellen des Abschnitts 29A mit verringertem Durchmesser die Möglichkeit der Bildung eines Kanals an der Wandfläche des axialen Lochs 4 steigert, die Kanalbildungsbeständigkeit durch das Bereitstellen des zweiten Teilabschnitts 32 verbessert werden. Das heißt, nach der vorliegenden Ausführungsform wird der durch das Bereitstellen des Abschnitts 29A mit verringertem Durchmesser angefallene Nachteil überwunden, und der Vorzug, d. h., die Verbesserung der Zündleistung, erreicht durch das Bereitstellen des Abschnitts 29A mit verringertem Durchmesser, kann über einen langen Zeitraum aufrechterhalten werden.
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Als Nächstes wurden, um die durch die oben beschriebene Ausführungsform erreichten Funktionen und Wirkungen zu bestätigen, Muster der Zündkerze gefertigt, die sich voneinander unterscheiden in dem Massenverhältnis des zweiten Teilabschnitts in dem 0,5-mm-Abschnitt der Mittelelektrode, der sich von dem vorderen Ende zu dem hinteren Ende derselben hin erstreckt, und es wurde eine Prüfung zur Einschätzung der Kanalbildungsbeständigkeit für die Muster ausgeführt. Die Auslegung der Prüfung zur Einschätzung der Kanalbildungsbeständigkeit ist wie folgt. Das heißt, nachdem jedes Muster an einer vorbestimmten Kammer befestigt war, wurde eine Spannung, die eine Frequenz von 60 Hz hatte, zur Funkenerzeugung an das Muster angelegt, und zur Plasmaerzeugung wurde dem Muster ein Strom von einer Plasma-Energieversorgung zugeführt, dessen Leistung 20 mJ beträgt. Jedes Mal, wenn eine vorbestimmte Zeit ablief, wurde das Muster von der Kammer entfernt und wurde an einem 2,0 l, 4-Zylinder-Motor befestigt, der danach mit einer Drehzahl von 750 U/min betrieben wurde. In diesem Zustand, während das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteigert wurde (die Kraftstoffkonzentration des Kraftstoffgemischs vermindert wurde), wurde die Veränderungsrate des Motor-Drehmoments bei jedem Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemessen. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, bei dem die Veränderungsrate des Motor-Drehmoments 5% überschritt, wurde als Luft-Kraftstoff-Grenzverhältnis (L/K) aufgezeichnet. Ein Muster, dessen Luft-Kraftstoff-Grenzverhältnis um 10% gegenüber seinem anfänglichen Wert abfiel, bevor eine Zeit, während der eine Plasmaentladung durchgeführt wurde (Plasmaentladungszeit), 100 Stunden erreichte, wurde wegen der großen Möglichkeit des Auftretens von Kanalbildung zur Zelt der Plasmaentladung als „schlecht” eingeschätzt. Ein Muster, dessen Luft-Kraftstoff-Grenzverhältnis um 10% abfiel, nachdem die Plasmaentladungszeit 200 Stunden erreichte, aber bevor sie 500 Stunden erreichte, wurde als „ausreichend” eingeschätzt, weil die Kanalbildung beschränkt werden konnte. Jedes der Muster, dessen Luft-Kraftstoff-Grenzverhältnis um 10% abfiel, nachdem die Plasmaentladungszeit 500 Stunden erreichte, aber bevor sie 1000 Stunden erreichte, wurde als „gut” eingeschätzt, weil die Kanalbildung wirksam beschränkt wurde. Jedes der Muster, dessen Luft-Kraftstoff-Grenzverhältnis um 10% abfiel, nachdem die Plasmaentladungszeit 1000 Stunden erreichte, wurde als „sehr gut” eingeschätzt, weil die Kanalbildung mit beträchtlicher Wirksamkeit beschränkt wurde.
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Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Prüfung zur Einschätzung der Kanalbildungsbeständigkeit. Insbesondere wurde jedes Muster so gefertigt, dass der Hohlraum eine runde säulenförmige Gestalt hatte und die anfängliche Kriechstrecke zwischen dem vorderen Ende der Mittelelektrode und der Masseelektrode 1,0 mm betrug. Überdies war der erste Teilabschnitt aus W geformt, und der zweite Teilabschnitt war aus einer Legierung geformt, deren Ir-Gehalt 95 Masse-% beträgt. Insbesondere bedeutet in Tabelle 1, wenn das Massenverhältnis des zweiten Teilabschnitts 0% auf Massebasis beträgt, dass der zweite Teilabschnitt an dem vorderen Ende der Mittelelektrode nicht bereitgestellt wurde. [Tabelle 1]
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Die Prüfung offenbarte, dass, wie in Tabelle 1 gezeigt, im Fall von Mustern, die den zweiten Teilabschnitt haben, die Zündleistung kaum abfällt, das heißt, es tritt kaum Kanalbildung auf. Möglicherweise liegt dies daran, dass die in einer Hochtemperatur-Atmosphäre geschmolzene Legierung des zweiten Teilabschnitts an der Wandfläche des axialen Lochs, die den Hohlraum bildet, haftet und als ein Schutzfilm für den Isolator fungiert.
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Außerdem offenbarte die Prüfung, dass die Muster, die derart gefertigt sind, dass das Massenverhältnis des zweiten Teilabschnitts 5% auf Massebasis oder größer wird, in Bezug auf die Kanalbildungsbeständigkeit ausgezeichneter sind. Möglicherweise liegt dies daran, dass im Ergebnis einer ausreichenden Steigerung des Massenverhältnisses des zweiten Teilabschnitts auf 5% auf Massebasis oder mehr die geschmolzene Legierung des zweiten Teilabschnitts über einen verhältnismäßig großen Bereich an der Wandfläche des axialen Lochs, die den Hohlraum bildet, haftet und der Schutzfilm für einen längeren Zeitraum gebildet wird. Im Einzelnen wurde bestätigt, dass mit Hilfe des Festsetzens des Massenverhältnisses des zweiten Teilabschnitts auf 15% auf Massebasis oder mehr eine bemerkenswerte Wirkung der Beschränkung der Kanalbildung erreicht wird.
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Als Nächstes wurde eine Prüfung zur Einschätzung des Ableitungswiderstandes für Muster der Zündkerze ausgeführt, die sich voneinander unterscheiden in dem Massenverhältnis des zweiten Teilabschnitts in dem 0,5-mm-Abschnitt der Mittelelektrode, der sich von dem vorderen Ende zu dem hinteren Ende derselben hin erstreckt. Die Auslegung der Prüfung zur Einschätzung des Ableitungswiderstandes ist wie folgt. Das heißt, nachdem jedes Muster an einer vorbestimmten Kammer befestigt war, wurde eine Spannung, die eine Frequenz von 60 Hz hatte, zur Funkenerzeugung an das Muster angelegt, und zur Plasmaerzeugung wurde dem Muster ein Strom von einer Plasma-Energieversorgung zugeführt, dessen Leistung 100 mJ beträgt. Nach Ablauf von 1 Stunde wurde der Isolationswiderstand zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode gemessen. Jedes der Muster, dessen Isolationswiderstände geringer als 10 MΩ waren, wurde als „schlecht” eingeschätzt, weil ein Stromverlust zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode auftreten kann. Jedes der Muster, dessen Isolationswiderstände 10 MΩ oder mehr betrugen, wurde als „gut” eingeschätzt, weil ein Stromverlust zwischen den zwei Elektroden ausreichend beschränkt werden kann. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Prüfung zur Einschätzung des Ableitungswiderstandes. Insbesondere hatten die Muster die gleiche Form wie die bei der oben beschriebenen Prüfung zur Einschätzung der Kanalbildungsbeständigkeit verwendeten Muster und waren aus den gleichen Werkstoffen geformt wie die bei der oben beschriebenen Prüfung zur Einschätzung der Kanalbildungsbeständigkeit verwendeten Muster. [Tabelle 2]
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Die Prüfung offenbarte, dass, wie in Tabelle 2 gezeigt, im Fall von Mustern, die derart gefertigt sind, dass das Massenverhältnis des zweiten Teilabschnitts größer als 30% auf Massebasis wird, der Isolationswiderstand auf einen Wert von weniger als 10 MΩ abnimmt und die Möglichkeit von Stromverlust ziemlich hoch ist. Möglicherweise liegt dies daran, dass die geschmolzene Legierung des zweiten Teilabschnitts an der gesamten Wandfläche des axialen Lochs haftet.
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Im Gegensatz dazu offenbarte die Prüfung, dass jedes der Muster, die derart gefertigt sind, dass das Massenverhältnis des zweiten Teilabschnitts gleich 30% auf Massebasis oder geringer wird, einen ausgezeichneten Isolationswiderstand hat und ohne jegliches Problem eine Funkenentladung (dementsprechend ein Plasma) erzeugen kann.
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Die oben beschriebenen Ergebnisse zeigen, dass, um die Kanalbildungsbeständigkeit zuverlässiger zu verbessern, der zweite Teilabschnitt wünschenswerterweise wenigstens am vorderen Endabschnitt der Mittelelektrode bereitgestellt wird. Darüber hinaus wird, unter dem Gesichtspunkt einer weiteren Verbesserung der Kanalbildungsbeständigkeit, das Massenverhältnis des zweiten Teilabschnitts in dem vorderen 0,5-mm-Endabschnitt der Mittelelektrode vorzugsweise auf 5% auf Massebasis oder mehr, insbesondere 15% auf Massebasis oder mehr, festgelegt.
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Indessen wird, unter dem Gesichtspunkt einer Verbesserung des Ableitungswiderstandes, das Massenverhältnis des zweiten Teilabschnitts vorzugsweise auf 30% auf Massebasis oder weniger festgelegt.
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Als Nächstes wurden Muster von drei Typen von Zündkerzen gefertigt derart, dass der erste Teilabschnitt aus W geformt wurde und der zweite Teilabschnitt aus einer Ir-Legierung, deren Ir-Gehalt 95 Masse-% oder mehr beträgt, einer Pt-Legierung, deren Pt-Gehalt 95 Masse-% oder mehr beträgt, oder einer Ni-Legierung, deren Ni-Gehalt 95 Masse-% oder mehr beträgt, geformt wurde; und eine Funkenprüfung wurde für jedes Muster auf einer Werkbank durchgeführt. Die Auslegung der Funkenprüfung ist wie folgt. Das heißt, jedes Muster wurde an einer vorbestimmten Kammer befestigt, und der Innendruck der Kammer wurde auf 0,4 MPa festgesetzt. Jedes Muster wurde dazu veranlasst, eine Entladung zu erzeugen, während die Frequenz der angelegten Spannung auf 60 Hz (das heißt, auf eine Rate von 3600 Mal pro Minute) festgesetzt wurde (bei der vorliegenden Prüfung wurde kein Strom von einer Plasma-Energieversorgung zugeführt, und es wurde nur eine Funkenentladung erzeugt). Nach dem Ablauf einer vorbestimmten Zeit wurde das Verhältnis (V2/V1) eines erodierten Volumens (V2) des zweiten Teilabschnitts zu einem erodierten Volumen (V1) des ersten Teilabschnitts gemessen. 4 zeigt die Ergebnisse dieser Prüfung. Wie bei den oben beschriebenen Prüfungen wurde auch bei dieser Prüfung jedes Muster derart gefertigt, dass der Hohlraum eine runde säulenförmige Gestalt hatte und die anfängliche Kriechstrecke zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode 1,0 mm betrug.
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Insbesondere kann in dem Fall, in dem der Wert von V2/V1 groß ist (das heißt, die Erosion des zweiten Teilabschnitts, verglichen mit dem ersten Teilabschnitt, schnell voranschreitet), die Mittelelektrode, nachdem sie erodiert ist, eine deformierte Gestalt (z. B. eine Gestalt, in der nur der erste Teilabschnitt nach vorn vorspringt) annehmen, oder der Schutzfilm-Bildungsfähigkeitszeitraum kann kurz werden. Mit anderen Worten, je kleiner das Verhältnis V2/V1 ist, desto größer ist der Grad, bis zu dem eine Zunahme der Entladungsspannung im Ergebnis des Gebrauchs beschränkt werden kann, und desto länger ist der Zeitraum, über den eine ausgezeichnete Kanalbildungsbeständigkeit aufrechterhalten werden kann.
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Die Prüfung offenbarte, dass, wie in 4 gezeigt, das Muster, bei dem der zweite Teilabschnitt aus der Ir-Legierung geformt war, ein sehr kleines Verhältnis der Erosion des zweiten Teilabschnitts zu derjenigen des ersten Teilabschnitts hatte, verglichen mit den Mustern, bei denen der zweite Teilabschnitt aus der Pt-Legierung oder der Ni-Legierung geformt war, wodurch vorteilhafte Wirkungen, wie beispielsweise eine Beschränkung einer Zunahme der Entladungsspannung, erreicht werden konnten.
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Die Ergebnisse der oben beschriebenen Prüfung zeigen, dass das Formen des zweiten Teilabschnitts durch die Verwendung von Ir oder einer Legierung, die Ir als Hauptbestandteil enthält, unter dem Gesichtspunkt der Aufrechterhaltung einer ausgezeichneten Kanalbildungsbeständigkeit über einen langen Zeitraum, während eine Zunahme der Entladungsspannung beschränkt wird, zu bevorzugen ist.
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Als Nächstes wurden Muster der Zündkerze gefertigt derart, dass der zweite Teilabschnitt aus einer Ir-Legierung geformt wurde und sein Ir-Gehalt unter den Muster variiert wurde; und es wurde für jedes Muster auf einer Werkbank eine Plasmabeständigkeitsprüfung ausgeführt. Die Auslegung der Plasmabeständigkeitsprüfung ist wie folgt. Das heißt, in einem Zustand, in dem jedes Muster an einer vorbestimmten Kammer befestigt war, wurde eine Spannung (Frequenz: 60 Hz) zur Entladung an das Muster angelegt, und zur Plasmaerzeugung wurde dem Muster ein Strom von einer Plasma-Energieversorgung zugeführt, der eine Leistung von 80 mJ hat. Nach Ablauf von 100 Stunden wurde die Entladungsspannung jedes Musters gemessen, und eine Spannungszunahme gegenüber der Entladungsspannung am Beginn (vor der Prüfung) (Entladungsspannungszunahme) wurde berechnet. 5 zeigt die Ergebnisse der Plasmabeständigkeitsprüfung. Insbesondere wurde jedes Muster derart gefertigt, dass der Hohlraum eine runde säulenförmige Gestalt hatte und die anfängliche Kriechstrecke zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode 1,0 mm betrug.
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Es wurde bestätigt, dass, wie in 5 gezeigt, eine Zunahme der Entladungsspannung durch ein Steigern des Ir-Gehalts beschränkt wird. Im Einzelnen kann eine Zunahme der Entladungsspannung dadurch sehr klein gemacht werden, dass der Ir-Gehalt des zweiten Teilabschnitts auf 90 Masse-% oder mehr festgesetzt wird.
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Die Ergebnisse der oben beschriebenen Prüfung zeigen, dass das Formen des zweiten Teilabschnitts durch die Verwendung von Ir oder einer Legierung, deren Ir-Gehalt 90 Masse-% oder mehr beträgt, unter dem Gesichtspunkt des Beschränkens einer Zunahme der Entladungsspannung vorzuziehen ist, um dadurch das Erzeugen von Funkenentladung und Plasma über einen längeren Zeitraum zu ermöglichen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform begrenzt, sondern kann zum Beispiel wie folgt umgesetzt werden. Selbstverständlich sind andere Anwendungen und Modifikationen als die unten beispielhaft genannten ebenfalls möglich.
- (a) Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird Ir oder eine Ir-Legierung als der metallische Werkstoff zum Formen des zweiten Teilabschnitts 32 gezeigt. Jedoch ist der metallische Werkstoff zum Formen des zweiten Teilabschnitts 32 nicht darauf begrenzt. Dementsprechend kann der zweite Teilabschnitt 32 aus Ni, Pt, einer Ni-Legierung, einer Pt-Legierung oder dergleichen geformt sein.
- (b) Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist der zweite Teilabschnitt 32, der eine röhrenförmige Gestalt hat, an der seitlichen Umfangsfläche des ersten Teilabschnitts 31, der eine runde säulenförmige Gestalt hat, angeordnet. Jedoch sind die Formen und die Positionsbeziehung des ersten und des zweiten Teilabschnitts nicht darauf begrenzt.
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Dementsprechend kann, wie in 6A gezeigt, ein scheibenförmiger zweiter Teilabschnitt 36 mit der vorderen Endfläche eines ersten Teilabschnitts 35, der eine runde säulenförmige Gestalt hat, verbunden sein. Alternativ dazu können, wie in 6B gezeigt, erste Teilabschnitte 37 und zweite Teilabschnitte 38 abwechselnd gestapelt sein.
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Darüber hinaus kann, wie in 7 gezeigt, ein erster Teilabschnitt 39, der eine röhrenförmige Gestalt hat, mit der seitlichen Umfangsfläche eines zweiten Teilabschnitts 40, der eine runde säulenförmige Gestalt hat, verbunden sein. Alternativ dazu kann, wie in 8 gezeigt, ein zweiter Teilabschnitt 42, der die Form eines mit Boden versehenen Zylinders (eines Bechers) hat, bereitgestellt werden, um die vordere Endfläche und die seitliche Umfangsfläche eines ersten Teilabschnitts 41, der eine runde säulenförmige Gestalt hat, abzudecken.
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Außerdem kann, wie in 9 gezeigt, ein erster Teilabschnitt 43 derart konfiguriert sein, dass sein Durchmesser zu der vorderen Endseite hin in Bezug auf die Richtung der Achse CL1 verringert wird, und ein röhrenförmiger zweiter Teilabschnitt 44 kann um den Abschnitt mit verringertem Durchmesser angeordnet sein.
- (c) Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist der zweite Teilabschnitt 32 aus einem einzigen metallischen Werkstoff geformt. Jedoch kann der zweite Teilabschnitt 32 aus einer Vielzahl von metallischen Werkstoffen geformt sein. Zum Beispiel kann, wie in 10 gezeigt, ein zweiter Teilabschnitt 46, der mit dem äußeren Umfang eines ersten Teilabschnitts 45 verbunden ist, aus einem röhrenförmigen ersten Metallabschnitt 46A, der aus Ir oder einer Ir-Legierung geformt ist, und einem röhrenförmigen zweiten Metallabschnitt 46B, der aus Ni oder einer Ni-Legierung geformt und mit dem äußeren Umfang des ersten Metallabschnitts 46A verbunden ist, bestehen.
- (d) Bei der oben beschriebenen Ausführungsform sind die äußere Lage 5B und der erste Teilabschnitt 31 gesonderte Elemente. Jedoch können Abschnitte der Mittelelektrode 5, die der äußeren Lage 5B entsprechen, und der erste Teilabschnitt 31 integral aus W oder einer W-Legierung geformt sein.
- (e) Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Elektrodenspitze 30 hergestellt mit Hilfe des Verbindens des zweiten Teilabschnitts 32 mit dem ersten Teilabschnitt 31, und der erste Teilabschnitt 31 und der zweite Teilabschnitt 32 können durch die äußere Erscheinung voneinander unterschieden werden. Jedoch kann die Ausführungsform derart modifiziert sein, dass eine Elektrodenspitze mit Hilfe von Pulvermetallurgie gefertigt wird, d. h., dem Mischen von Pulver eines metallischen Werkstoffs, wie beispielsweise Ir oder einer Ir-Legierung, in Pulver von W oder einer W-Legierung, gefolgt von Sintern, und dass die Elektrodenspitze an dem vorderen Ende der Mittelelektrode 5 bereitgestellt wird. Das heißt, die Elektrodenspitze kann aus ersten und zweiten Teilabschnitten bestehen, die durch die äußere Erscheinung nicht voneinander unterschieden werden können.
- (f) Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Masseelektrode 27 aus einer Ir-Legierung geformt. Jedoch kann wenigstens ein Abschnitt der Masseelektrode 27, in dem das Durchgangsloch 28 geformt ist, aus einer Ir-Legierung oder einer Platinlegierung geformt sein, und der verbleibende Abschnitt kann aus einer Ni-Legierung geformt sein.
- (g) Bei der oben beschriebenen Ausführungsform steht die Masseelektrode 27 in Kontakt mit der vorderen Endfläche des Isolators 2. Es kann jedoch ein kleiner Freiraum zwischen der vorderen Endfläche des Isolators 2 und der Masseelektrode 27 bereitgestellt werden. Jedoch wird unter dem Gesichtspunkt der Hitzebeständigkeit der Masseelektrode 27 die Masseelektrode 27 wünschenswerterweise in Kontakt mit dem Isolator 2 gebracht.
- (h) Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist das vordere Ende der Mittelelektrode 5 flach. Jedoch kann das vordere Ende der Mittelelektrode 5 eine gekrümmte Oberfläche haben, die konvex nach außen ist.
- (i) Bei der oben beschriebenen Ausführungsform sind das Durchgangsloch 28 und das axiale Loch 4 auf der gleichen Achse angeordnet (die Mitte des Durchgangslochs 28 ist auf der Achse CL1 angeordnet). Jedoch kann die Mitte des Durchgangslochs 28 geringfügig gegenüber der Achse CL1 verschoben sein.
- (j) Bei der oben beschriebenen Ausführungsform hat der Werkzeug-Eingriffsabschnitt 19 einen sechseckigen Querschnitt. Jedoch ist die Form des Werkzeug-Eingriffsabschnitts 19 nicht darauf begrenzt. Zum Beispiel kann der der Werkzeug-Eingriffsabschnitt 19 eine Bi-HEX-(modifizierte Zwölfeck-)Form [ISO22977:2005(E)] oder dergleichen haben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Plasmastrahl-Zündkerze (Zündkerze)
- 2
- Isolator
- 4
- axiales Loch
- 5
- Mittelelektrode
- 29
- Hohlraum
- 31
- erster Teilabschnitt
- 32
- zweiter Teilabschnitt
- CL1
- Achse
