JP4859846B2 - プラズマ発生プラグ - Google Patents

Description

本発明は、制御点火エンジンに使用するタイプのプラズマ発生プラグに関するものである。

プラズマ発生プラグは、従来のものより広域なスパークを得ることが可能となる高周波領域（つまり、１ＭＨｚ以上）で励起を起こすことが知られている。こういったプラグ（以下、「高周波プラズマ発生プラグ」と称する）は小さな電位差から大きなスパークを発生させる。図３は管状ソケット２を備えたこういったプラグ１を示しており、誘電絶縁体３を含む。ソケット２は電極を構成し、通常、接地されている。絶縁体３は中央電極４を収容する中央穿孔部３０を備える。絶縁体３は、電極２、４を隔てる距離が最少の領域でこれらを分離するため、電極間で発生したスパークは絶縁体表面上に導かれる。

第一組立技法では、プラグの部品を組み合わせることで組み立てる。その際、部品の間には間隙が残る。特に、ソケット２と絶縁体３との間には間隙Ｊ１が在り、絶縁体３と中央電極４との間には間隙Ｊ２が在る。プラグの中央電極に高電圧を高周波で電力供給した際、スパークがこれらの間隙を伝播するのを観察することができる。これによりエネルギーが消費され、プラグに近接したガス状混合物を点火するというスパークの有益な機能にエネルギーが使用されない。

電極と絶縁体との間の間隙にガラス等の誘電性材料を接着剤として充填するという、従来のプラグの電極組立技法も知られている。こういった技法を採用して間隙Ｊ１とＪ２を充填する場合、熱膨張差により部品間にせん断応力が生じる危険性がある。その応力を軽減するために、比較的類似した熱膨張係数を有する材料を選択することが可能である。

更に、燃焼チャンバ内で雰囲気に曝露された絶縁体上に炭素堆積物が形成されるのを回避するために、絶縁体を比較的高温、例えば４００℃とすることが有用である。炭素堆積物は電流漏れ線を形成することでプラグの良好な動作性に影響を与えてしまう。この温度では、炭素堆積物は熱分解により破壊される。間隙Ｊ１とＪ２とを充填することで、部品間の熱抵抗は低下する。従って、部品の温度がより均一となり、通常、絶縁体に望むものよりも低くなる。実際には、プラグは、通常、電極の１つによりエンジンのシリンダーヘッド内にネジ止めされており、シリンダーヘッド自体は冷却液の循環により冷却されている。

本発明の１つの目的は、電極と絶縁体との間の空気のイオン化を排除し、プラグを取り巻くガスの点火に全て使用されるスパークを発生させ、その絶縁体の動作温度が比較的高い高周波プラズマ発生プラグを提案することである。別の目的は、電極と絶縁体を形成する材料に幅広い選択肢を持たせることである。

これらの目的を踏まえ、本発明の主題は少なくとも２つの素子を備える高周波プラズマ発生プラグであり、素子の一方は第一金属電極であり、他方は絶縁体であり、素子の一方は、他方が間隙をもって嵌合する凹部を備える。第一電極に面する絶縁体表面は金属化されている。

絶縁体と電極は互いに嵌合していることから、絶縁体の金属コーティングと電極との間の接触は不可避である。互いに面し、かつ、間隙によって隔てられている表面は、従って同電位となり、これはこの領域のスパークの伝播が回避されることを意味する。従って、スパークは全体的に絶縁体の外部で発生し、取り巻くガスの点火に全て使用される。更に、絶縁体を部分的に金属化することで電荷の散発的な蓄積を軽減することが可能となり、従って、絶縁体のアークオーバ現象(arc-over phenomena)に対する耐性が改善される。従って、絶縁体はより高い電圧をサポートする。

本発明によるプラグは、絶縁体と電極との間に間隙も維持しているため膨張差により機械的応力が誘発されることがなく、膨張差を回避したいという希望により電極と絶縁体の材料の選択に制約が加わることがない。更に、間隙により絶縁体と電極との間に熱抵抗が生じ、これによりこれらの温度が均一になることが回避される。電極は、それがエンジンの固体素子に固定されていることから、たとえ冷却されても、絶縁体は同じようには冷却されず高い温度を有し続けることができ、これは炭素堆積物の熱分解に有利である。

特に、第一電極は円柱形であり、かつ絶縁体の穿孔部内に収納されている。従って、金属化された部分は絶縁体の穿孔部となる。

特に、プラグは絶縁体を取り巻く第二電極を備え、第二電極に面している絶縁体表面は金属化されている。

絶縁体は、例えば、セラミック製である。

添付の図面を参照して以下の記載を読むことで本発明がより理解でき、またその他の特徴や利点が明らかとなる。
本発明による高周波プラズマ発生プラグ１０は図１及び２に図示される。プラグは、従来技術によるプラグと同様に、管状ソケット１２を備え、誘電絶縁体１３を含む。ソケット１２は電極を形成し、通常、接地されている。絶縁体１３は中央電極１４を収容する中央穿孔部１３０を備える。

絶縁体はセラミック、例えば窒化ケイ素から成るが、ガラス−セラミック又は石英等の非晶質材料からも形成可能である。

本発明によれば、絶縁体１３は金属化によりコーティングした表面を有する。これらの領域は図１の点鎖線により表される。第一領域Ａはソケット１２に面している絶縁体の円柱形部分に広がる。第二領域Ｂは中央電極１４に面している絶縁体１３の穿孔部１３０の内側に広がっている。エンジンのシリンダ内で露出させることを意図した絶縁体１３の切形表面１３１は金属化コーティングを有さない。

図２の詳細から見て取れるように、ソケット１２と絶縁体１３との間には間隙１５が設けられている。同様に、間隙１６が中央電極１４と絶縁体１３との間に設けられている。間隙の幅は数百から数十ミリメートルである。間隙１５に沿って、絶縁体１３は、第一領域Ａ全体に広がる第一金属層１３２を有する。同様に、間隙１６に沿って、絶縁体１３は第二領域Ｂ全体に広がる第二金属層１３３を有する。

金属層１３２、１３３は、従来のセラミック金属化のどの方法でも得られる。例えば、金属塩を例えば柔らかいブラシ、ローラ、又は噴霧により塗布して絶縁体１３の領域Ａ、Ｂ上に液状溶液の形態で堆積する。乾燥したら、絶縁体１３を例えば水素含有の雰囲気と共に還元性雰囲気の炉(reducing-atmosphere oven)中に通す。このようにして、金属塩は還元され、金属の薄層が領域Ａ、Ｂ上に形成される。

例えば銀を使用して金属層を形成してもよく、或いはモリブデンとマンガンとの合金、或いは別の金属又は合金を用いてもよい。金属層１３２、１３３の厚さは典型的には約５から５０μｍである。

本発明によるプラズマ発生プラグの断面図である。 図１の詳細ＩＩの図である。 従来技術による前述のプラグの図１と同様の図である。

Claims (4)

1. 高周波領域で励起を起こすプラズマ発生スパークプラグ（１０）であって、
   少なくとも２つの素子を備え、素子の一方は第一金属電極（１２、１４）であり、他方は絶縁体（１３）であり、
   前記第１金属電極（１２，１４）は、管状ソケット（１２）と該管状ソケット（１２）内に配置された円柱形中央電極（１４）とを含み、
   前記絶縁体（１３）は、管状ソケット（１２）の内表面と前記円柱形中央電極（１４）の外表面との間に隙間（１５、１６）をもって嵌合され、
   前記管状ソケットと前記円柱形中央電極（１４）に対向している前記絶縁体（１３）の表面が金属化されていることを特徴とするプラグ。
2. 絶縁体がセラミック製である、請求項１に記載のプラグ。
3. 前記絶縁体（１３）が一端部にて切形表面（１３１）を有し、該切形表面（１３１）が金属化コーティングを有さない請求項１又は２に記載のプラグ。
4. 前記絶縁体（１３）の金属化された部分（１３２、１３３）が、銀、又は、モリブデンとマンガンとの合金である請求項１ないし３のいずれかに記載のプラグ。

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