JP2008521164A - 高周波プラズマ点火プラグ - Google Patents

Abstract

本発明は、高周波プラズマ点火プラグと呼ばれる、内燃エンジンの燃焼室（２）へ装着するための点火プラグ（１）であって：主軸Ｄを軸とし、第１導電材料から形成された環状の外殻（３）と；主軸Ｄに沿って伸び、第２導電材料から形成され、外殻（３）の内側に配置される内側部分（８）と、外殻（３）の外側に配置される外側部分（９）とを有する、中央電極（７）と；外殻（３）と中央電極（７）との間に介在するように、少なくとも中央電極（７）の内側部分（８）の周りを伸び、中央電極（７）の外側部分（９）の一部のみを覆う、環状の電気絶縁部品（１０）と；を含む点火プラグ（１）に関する。電気絶縁部品（１０）は、中央電極（７）の非被覆部分（１６）に対して、上記外殻の上記末端の円形の面（６）の全てを遮蔽する環状の肩（１１）を有する。

Description

本発明は、一般に高周波プラズマ点火プラグに関する。

特に本発明は、高周波プラズマ点火プラグと呼ばれる、内燃エンジンの燃焼室へ装着するための点火プラグであって：
−主軸Ｄを軸とし、第１導電材料から形成され、第１端部及び第２端部、並びに、上記主軸Ｄを対称軸とし、上記第１端部に位置する、末端の円形の面とを有する、環状の外殻と；
−上記主軸Ｄに沿って伸び、第２導電材料から形成され、上記外殻の内側に配置される内側部分と、上記外殻の上記第２端部よりも上記第１端部に近接して、上記外殻の外側に配置される外側部分とを有する、中央電極と；
−上記外殻と上記中央電極との間に介在するように、少なくとも上記中央電極の上記内側部分の周りを伸び、上記中央電極の外側の非被覆部分が上記点火プラグの周囲の混合気と接触するように、上記中央電極の上記外側部分の一部のみを覆う、環状の電気絶縁部品と；
を含む点火プラグに関する。

エンジンの燃焼室内において空気−燃料混合物（以下、混合気という。）の燃焼を開始させることからなる、内燃ガソリンエンジンの点火は、現在のエンジンにおいては比較的良好に制御されている。

しかしながら、汚染物質の排出基準を満たすために、自動車メーカは、過薄混合気、すなわち噴射される燃料量に対して過剰な空気を含む混合気で作動可能なように点火が制御されたエンジンを開発してきた。

しかしながら、過薄混合気の点火は制御が難しい。このため、および点火成功の確率を高めるために、火花が発生する瞬間に、点火プラグの周囲に、より濃い混合気を有することが必要である。

混合気が点火プラグによって点火される確率を高めるために、面スパークを有する新しい点火プラグが開発されている。これは、混合気とスパークとを、空間的及び時間的に接触しやすくするための、大きなスパークを作るためである。このようにして、より大きな容積の混合気が点火され、点火の確率が大きく改良される。

このような点火プラグは、特許出願ＦＲ９７−１４７９９、ＦＲ９９−０９４７３、ＦＲ００−１３８２１に記載されている。このような点火プラグは、小さな電位差から大きなスパークを発生する。

面スパーク点火プラグは、電極間の距離が最も小さい領域における電極（電極の一つは環状の外殻であり、電極の他の一つは中央電極である。）を分離する絶縁体（絶縁部品）を有する。このようにして、電極間に形成されたスパークは、絶縁体の表面上へ導かれる。このような点火プラグは、絶縁体の表面の電極間電場を増幅する。このため、絶縁体と電極とによって形成された基本容量は、次第に帯電する。点火プラグは、混合気における電場が最も強い領域における電極の表面に沿って伝播するスパークを発生する。
ＦＲ９７−１４７９９ ＦＲ９９−０９４７３ ＦＲ００−１３８２１

このような観点から、本発明の目的は、燃焼室に取り付けられたときに、点火プラグの周囲の混合気が点火される確率を高めることを可能にする点火プラグを提供することにある。

上記目的を達成するため、その他の点においては前記の「技術分野」に記載した定義に合致する本発明の点火プラグは、上記電気絶縁部品は、上記中央電極の上記非被覆部分に対して、上記外殻の上記末端の円形の面の全てを遮蔽する環状の肩を有することを特徴とする。

このような点火プラグにおいては：
−一方では、外殻を中央電極から隔てる距離（電気絶縁部品の表面を通る距離）は、末端の円形の面の最小寸法（すなわち、末端の円形の面の直径）を超えるので、特に長い。
−他方では、中央電極と外殻は電気絶縁部品によって分離され、したがって互いに対面しない。

これらの２つの理由により、中央電極と外殻との間に大きな電位差（一般に、尖頭絶対値で５ｋＶ〜３５ｋＶの範囲で変化する）を生じるために、これらの間に電力が供給されたときに、点火プラグの末端の円形の面と中央電極との間に電気アークが発生することはない。

より一般的には、本発明による点火プラグが、絶縁体で覆われていない中央電極の部分を燃焼室の中に配置し、外殻を燃焼室の壁の厚みの中に取り付けて、自動車の内燃エンジンに取り付けられたときに、外殻と中央電極との間に電気アークが発生することはない。すなわち、絶縁体で覆われていない中央電極の部分から外殻へのアクセスは、絶縁体の存在によって妨げられる。

このような条件下において、本発明による点火プラグは、高周波電圧によって励起されたとき、すなわち交流電圧（例えば、この交流電圧は５ｋＶよりも大きく、１ＭＨｚ以上の周波数を有する）が外殻と中央電極との間に印加されたときに、電気アークではなく、分岐プラズマを、中央電極の近傍に形成する。この電圧と与えられた周波数は、５×１０^−２ｍｏｌ／ｌを超えるモル密度を有する混合気の中におけるプラズマの生成に適応化されることは勿論である。

以後用いられるプラズマまたは分岐プラズマという用語は、少なくとも複数のイオン化線すなわちイオン化経路の、与えられたガス状容積の中における同時発生を意味し、また、それらの分岐は無指向性である。

容積プラズマは、それが発生される容積全体の加熱を意味するのに対し、分岐プラズマは、形成されるスパークの経路に沿ってのみ、加熱を必要とする。したがって、与えられた容積について、分岐プラズマに必要なエネルギは、容積プラズマに必要なエネルギよりも明らかに小さい。

本発明による点火プラグによって発生される分岐プラズマは、電気絶縁部品からいくらか離れて、中央電極が対向する燃焼室の壁へ向かって発生され、このことは、外殻との電気アークの発生の確率を減少させることを可能にし、対応する電極の損耗を減少させることを可能にする。

電気アークと比較すると、プラズマは、中央電極の周囲に位置するガスの大きな量の中に、多数のイオン化またはスパーク経路を含むという利点を有し、このことは、酸化剤を含む混合気が点火される確率を高める。

電気アークと分岐プラズマとの相違の１つは：
−電気アークは、電極間を直接伸び、電圧が加えられた電極間に存在する電気ポテンシャルの差を減少させるために、一方の電極から他方の電極への電子の移動を可能にする、電極間のイオン化されたガスの分子の単一の経路からなるのに対し、
−本発明によって作られるプラズマは、励起された電極の周りに不規則に伸び、この電極から出る、イオン化されたガス分子の多数の経路の集合である。これらの多数の経路は、電極と、電極の周辺の空気との間を、電子が交互に往復することを可能にする。

スパークの形成は、強い電場にさらされた幾つかの電子の媒体（混合気）からの分離によって開始される。電極間に高電圧が印加されたときには、１つの電極から出る電子は、電極間に発生される静電気力によって加速され、空気を含む混合気に衝突する。最も強い静電界を受ける電極の部分（一般に、電極の角または他方の電極に近い尖端）は、最初の電子雪崩の発生箇所を構成する。空気の分子は加熱され、電子と光子を放出し、これらの電子と光子が他の分子をイオン化する。このようにして、絶縁体によって分離された電極間に高電圧が印加されたときには、連鎖反応によって空気がイオン化される。

中央電極の周囲のイオン化された空気は、中央電極のポテンシャルに近いポテンシャルを有し、中央電極の延長のようにふるまう。電子雪崩前線（混合気の中における大量の電荷の移動の波動に与えられる用語）が伝播するときに、電子雪崩前線の上流において電場が増幅され、新しい電子雪崩の生成を助長する。このように、この現象は、中央電極の周りに燃焼室の壁へ向かって移動するイオン化されたガス状の集合を発生するための、自己持続傾向を有する。

先に示したように、本発明の点火プラグは、交流電圧を印加され、このことは、中央電極と外殻すなわち燃焼室との間の電位差を変えることを可能にし、この電位差は反転させることが可能である。電圧と極性の変更毎に、電子は反対方向にますます加速される。このようにして分極の波が、励起周波数において振動しながら、各周期に先の周期で受けた電荷を回復しつつ伝播する。したがって、極性の変化ごとに、波動は前よりも大きく広がり、このように電力を供給される本発明の点火プラグによって、中央電極と外殻との間に比較的高電圧を印加して、比較的大きなスパークを得ることが可能である。このような点火プラグを高周波によって励起することにより、電気アークの発生を回避し、相次ぐサイクル間の絶縁破壊電圧の変動を除去することが更に可能になる。

例えば、上記外殻の上記末端の円形の面は、上記電気絶縁部品の上記肩の相補的な支持面に支持されるようにすることができる。この特徴は、電気絶縁部品と外殻との間の空間を除去し、プラズマによって着火された炎に係わる熱を外殻へ消散させて、セラミックス（電気絶縁部品）が過熱することを回避することを可能にする。

また、上記電気絶縁部品は、上記外殻の内側に位置する最小厚さを有し、上記電気絶縁部品の上記肩は、上記最小厚さの半分以上の肩の厚さを有するようにすることができる。

この特徴は、中央電極の非被覆部分と電気絶縁部品との間の接合部、すなわち、空気とセラミックス（電気絶縁部品）と中央電極との接合部が、外殻に近接しすぎることを回避することを可能にする。この非被覆部分、特にこの接合部が外殻に近接して存在すると、表面スパークが発生される領域が形成される可能性がある。

また、上記外殻と、上記電気絶縁部品と、上記中央電極は、上記主軸Ｄを共通の対称軸とする回転対称体とすることができる。

点火プラグの構成部品の共通の対称軸に対する配置の正確さは、分岐プラズマが、主軸Ｄの周り及び中央電極の周りに中心を置くことを可能にし、スパークが作られる場所を、燃焼室の中で局所化することを容易にする。

また、環状の上記外殻は、上記外殻の上記第１端部に、上記末端の円形の面に接する内側の面取り部を有する円筒管状の形状を有し、上記内側の面取り部は、上記電気絶縁部品の一部分に形成された相補的な面取り部に対向して接触するようにすることができる。

相補的な面取り部を用いる電気絶縁部品の外殻に対する取り付けは、電気絶縁部品と接触する外殻の全ての鋭角を減少、あるいは完全に除去することによって、外殻と電気絶縁部品との間に存在する機械的な応力を、よりよく配分することを可能にする。過大な、あるいは配分がよくない、機械的な応力は、セラミックス（電気絶縁部品）の破壊と、点火プラグの損傷をもたらす可能性がある。このようにして、互いに相補的な面取り部は、点火プラグの寿命と、高温及び温度変化に対抗する能力を改良することを可能にする。

またこの実施の形態は、電気絶縁部品と外殻との間の接触面積を増加させることを可能にし、電気絶縁部品から外殻への熱伝達を助長し、電気絶縁部品が過熱することを回避する。

選択的に、電気絶縁部品と外殻との間の機械的な応力を配分するために、上記内側の面取り部は、上記主軸Ｄに平行な面に沿って、丸みのある形状の断面を有する。

また、環状の上記肩は、環状の上記外殻から離れた端部を有し、上記端部の外周に、上記主軸Ｄと同軸の、丸みのある周辺の面取り部を有することができる。

この周辺の面取り部は、環状の肩の端部の外周における鋭角の存在を減少または除去する。

本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照する、参考として非限定的に示す本発明の以下の説明によって明らかとなるであろう。これらの図面において：
図１は、本出願人によって出願され、未公開の、フランス国特許出願ＦＲ０３−１０７６６、ＦＲ０３−１０７６７、ＦＲ０３−１０７６８に記載された点火プラグを示し；
図２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、本発明による点火プラグの実施の形態を示す。

図１に示す点火プラグ１は、プラズマ発生点火プラグとして使用するために、本出願人によって開発された点火プラグである。この点火プラグは、本出願の出願時点においては未公開の特許出願に記載されている。

この点火プラグは、主軸Ｄを対称軸とする、円筒形の中央電極７を含む。内部部分と呼ばれる、中央電極７の一部分は、環状の外殻３の内側に、外殻３から幾らか離れて位置している。外殻３は、主軸Ｄを対称軸とする、円筒環状の形状を有する。

外殻３を中央電極７から分離するために、環状の絶縁部品１０が、部分的に環状の外殻３の内側に、中央電極７を囲んで配置されている。絶縁部品１０と、中央電極７と、外殻３は、主軸Ｄに関して回転対称性を有する部品である。中央電極７は、非被覆部１６を有する。非被覆部１６は、絶縁部品１０に囲まれず、外殻３にも囲まれない部分である。非被覆部１６は、エンジンの燃焼室２の内部に配置される。

外殻３は、中心部に穴が設けられ、主軸Ｄを対称軸とし、主軸Ｄに直交して配置された、平らな円盤状の円形の外面を有する。外殻３は、燃焼室２の壁に対する接続部を有する。この接続部は、通常、燃焼室２の壁に沿って作られた穴の中のネジへ螺入する、外殻３のネジである。したがって、このようにして燃焼室２の壁に取り付けられた点火プラグの外殻は、この壁に対して同電位、すなわち電気的に接地されている。

中央電極７に、中心電圧が接地電圧で、約１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲の周波数を有する交流電圧が加えられると、中央電極７の尖端１７の近傍に位置する電子は、燃焼室２の中の混合気を通って、中央電極７から燃焼室２の壁へ向かって、または混合気から中央電極７へ向かって移動する。これらの２つの場合において、電気的な半周期は、電子が中央電極７から燃焼室２の壁へ移行する時間よりも短い。このようにして、中央電極７と燃焼室２の壁とによって形成される２つの電極の間に、真の放電が存在することなく、空気はイオン化される。このイオン化は、中央電極７の尖端１７の周りに、局部的なプラズマを作り、これが、小さな交換容積の周りに移動電荷を集中させる。

しかしながら、このタイプの電極を用いた場合に、１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲の周波数において、中央電極の尖端と外殻との間に放電が生じることが認められている。これらの放電は、環状の外殻から出て、中央電極の軸方向に、絶縁部品に沿って伝播する。このスパークの形成様式は、スパークを絶縁部品の近傍に維持し、このようにして作られた炎の冷却を促進するので望ましくない。

このような不具合を解消するために、図２Ａ、２Ｂ、２Ｃに示す点火プラグが開発された。

これらの図に示す点火プラグは、図１を参照して説明した点火プラグの全ての特徴を有し、更に、絶縁部品１０に作られ、外殻３の外側の円形の面６を覆う、肩１１を有する。

この肩１１は、中央電極と外殻との間の、混合気を通る距離を増加させ、中央電極７の尖端１７と外殻３との間に、電気アークが発生することを妨げることを可能にする。

この形態によって、図２Ａ、２Ｂ、２Ｃに示す中央電極７は、その尖端１７を燃焼室２の内部へ向けて燃焼室２に取り付け、高電圧交流発電機から交流電流を供給すると、尖端１７のまわりにプラズマを発生させる。

絶縁部品の最小厚さ「ｅ」は、外殻３の内側に位置し、最大厚さ「Ｅ」は、肩１１の領域に位置している。

図２Ａに示す絶縁部品１０の肩１１は、縦方向の断面が直角な肩である。このような肩は、荷重及び機械的な応力の集中をもたらす。

このため、図２Ｂ、２Ｃに示す点火プラグは、外殻３の第１端部４に、内側の面取り部１３を有する。

絶縁部品１０は、内側の面取り部１３と接触するようになる、相補的な面取り部１４を有する。この大きな接触面は、絶縁部品から外殻へ熱を除去することを可能にし、このことは、点火プラグの平均寿命を延伸する。

また、図２Ｃに示す、本発明による点火プラグは、環状の肩１１の、外殻３から軸方向に最も遠い箇所に形成された、丸みのある周辺の面取り部１５を有する。

この肩は、中央電極７の尖端１７と環状の外殻３との間の混合気を通る経路において、肩が直角を有することを回避することを可能にする。この丸みのある端部は、電気アークが発生するリスクを減少させる。

中央電極７と外殻３の材料にそれぞれ該当する、第１導電材料と第２導電材料は、本発明に特有の１形態によれば、互いに同一である。これらの材料は、銅合金のような金属材料である。

本発明に特有の１実施の形態によれば、中央電極７の端部は、ニッケルの被覆に囲まれた銅の心材からなる。

絶縁部品の材料は、２０ｋＶ／ｍｍ以上の絶縁強度を有するセラミックスであることが望ましい。

Claims (10)

1. 高周波プラズマ点火プラグと呼ばれる、内燃エンジンの燃焼室（２）へ装着するための点火プラグ（１）であって：
   −主軸Ｄを軸とし、第１導電材料から形成され、第１端部（４）及び第２端部（５）、並びに、上記主軸Ｄを対称軸とし、上記第１端部（４）に位置する、末端の円形の面（６）とを有する、環状の外殻（３）と；
   −上記主軸Ｄに沿って伸び、第２導電材料から形成され、上記外殻（３）の内側に配置される内側部分（８）と、上記外殻（３）の上記第２端部（５）よりも上記第１端部（４）に近接して、上記外殻（３）の外側に配置される外側部分（９）とを有する、中央電極（７）と；
   −上記外殻（３）と上記中央電極（７）との間に介在するように、少なくとも上記中央電極（７）の上記内側部分（８）の周りを伸び、上記中央電極の外側の非被覆部分（１６）が上記点火プラグの周囲の混合気と接触するように、上記中央電極（７）の上記外側部分（９）の一部のみを覆う、環状の電気絶縁部品（１０）と；
   を含む点火プラグ（１）において、上記電気絶縁部品（１０）は、上記中央電極（７）の上記非被覆部分（１６）に対して、上記外殻の上記末端の円形の面（６）の全てを遮蔽する環状の肩（１１）を有することを特徴とする、点火プラグ。
2. 上記外殻の上記末端の円形の面（６）は、上記電気絶縁部品（１０）の上記肩（１１）の相補的な支持面（１２）に支持されることを特徴とする、請求項１に記載の点火プラグ。
3. 上記電気絶縁部品（１０）は、上記外殻（３）の内側に位置する最小厚さ（ｅ）を有し、上記電気絶縁部品（１０）の上記肩（１１）は、上記最小厚さ（ｅ）の半分以上の肩の厚さ（Ｅ）を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の点火プラグ。
4. 上記末端の円形の面（６）は、中央に穴が開けられた平らな円板形状を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の点火プラグ。
5. 上記外殻（３）と、上記電気絶縁部品（１０）と、上記中央電極（７）は、上記主軸Ｄを共通の対称軸とする回転対称体であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の点火プラグ。
6. 環状の上記外殻（３）は、上記外殻の上記第１端部（４）に、上記末端の円形の面（６）に接する内側の面取り部（１３）を有する円筒管状の形状を有し、上記内側の面取り部（１３）は、上記電気絶縁部品（１０）の一部分に形成された相補的な面取り部（１４）に対向して接触することを特徴とする、請求項５に記載の点火プラグ。
7. 上記内側の面取り部（１３）は、上記主軸Ｄに平行な面に沿って、丸みのある形状の断面を有することを特徴とする、請求項６に記載の点火プラグ。
8. 環状の上記肩（１１）は、環状の上記外殻から離れた端部を有し、上記端部の外周に、上記主軸Ｄと同軸の、丸みのある周辺の面取り部（１５）を有することを特徴とする、請求項５〜７のいずれか１つに記載の点火プラグ。
9. 上記中央電極の上記非被覆部分（１６）は、尖端（１７）を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１つに記載の点火プラグ。
10. 上記電気絶縁部品（１０）は、セラミックスからなることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１つに記載の点火プラグ。

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