JPS63500970A - 沿面放電式の点火プラグ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 沿面放電式の点火プラグ 従来の技術 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念に記載の内燃機関用の沿面放電式の点火 プラグに関する。

このような沿面放電式の点火プラグはスパーク・エアーギャップを有する点火プ ラグに較べて電極間隔に関連して極めて低い点火電圧を必要とするに過ぎないと いう利点を有している。しかしながら点火火花は、沿面路の冷却にもかかわらず 燃料混合物引火のだめの十分なエネルギを与えるために、著しくエネルギに豊ん でいなければならない。所定の点火装置において前記エネルギが高くなればなる 程、沿面スパークギャップ点火後の作動電圧が大きくなる。作動電圧は直接沿面 スパークギャップの大きさに関連している、つまり電極間でその都度形成される 、絶縁体の燃焼室側の表面における沿面路に関連している。いずれにせよ大きな 沿面スパークギャップは小さな沿面スパークギャップよりも大きな点火電圧を必 要とする。

発明の利点 請求の範囲第１項に記載の特徴を有する内燃機関用の本発明による点火プラグの 利点は、所定の点火電圧において沿面スパークギャップの沿面路長さを著しく拡 大できるということにある。絶縁体の燃焼室側の自由な表面の提案された構成に 基づきかつ表面の後方の陰極を成すいわゆる後方電極を設けることによって、つ まり、前記表面からの電極間隔がコンスタントであるか又は不変でありかつ前記 表面に対する傾斜角が任意であり、しかも９０°であってもよい、表面の後方の 陰極を成すいわゆる後方電極を設けることによって、点火プラグの電圧が上昇し たばあい誘電的な変位に基づき絶縁体表面に沿って表面荷電が生ぜしめられる。

絶縁体表面材料の相対的な誘電率（誘電係数）並びに電界強さに比例している前 記表面荷電によって、純粋な気中放電に比して著しく減少された、圧力とは余り 関連しない点火電圧が生せしめられる。自動車において今日一般的に使用されて いる点火装置に与えられた点火電圧によって本発明による点火プラグのばあいｍ ・範囲の浴面路長さが点火火花によって連絡される。

できるだけ大きな沿面路長さによって作動電圧も上昇させられるので、極めて簡 単にエネルギを伝達でき、このエネルギは沿面スパークギャップの長い距離に亘 ってガス状の燃料空気混合物に供給される。電極および絶縁体表面の形状は本発 明による思想を維持して任意に選ぶことができる。有利には表面は、通常の点火 電圧のばあい、できるだけ高い作動電圧を得るためにできるだけ大きな沿面路長 さが得られるように形成されている。

今日使用されている点火電圧によって、本発明による点火プラグから燃焼可能な 燃料混合物に引渡されるエネルギは従来の点火プラグのばあいよりもほぼ１０倍 高くなる。これにもかかわらず本発明による点火プラグでは燃料空気混合物ＩＣ 伝達されるエネルギが同じであれば点火電圧必要量は極めてわずかになる。

本発明による点火プラグはミリ秒の燃焼時間を伴なう沿面・グロー放電のために も並びにナノ秒の燃焼時間を伴なつ沿面・絶縁破壊による放電のためにも使用さ れる。絶縁破壊による放電のばあい極めて熱い点火火花に基づいて絶縁体の燃焼 室側の表面で生ずる侵食は請求の範囲第５項の本発明の実施態様では周方向に亘 って均一に分配される。それというのもこの実施態様では個々の浴面路は侵食に より延長されかつ点火火花は常に短かい沿面路で連絡されるからである。浸食に 対する付加的な防護は請求の範囲第６項又は第７項による絶縁体の燃焼室側の構 成によって得られる。

沿面・グロー放電のばあいこのような侵食障害が防止される。本発明による点火 プラグによってこのばあい高い作動電圧（代表的にはＩＫｖ）が得られ、これに よって、熱伝導性の悪い絶縁体を介した熱損失および電極を介したエネルギ放出 （クエンチングーＱｕｅｎｃｈ−１ｎｇ−損失）は大きな電極間隔に基づき極め てわずかにされているので、燃料空気混合物へのエネルギ伝達において沿面・絶 縁破壊による放電にほぼ匹敵する高い効率が生せしめられる。

冒頭に述べたように、絶縁体材料の誘電係数が増大するにつれて表面放電発生が 促進されるので、絶縁体を誘電係数の高い材料から製作すると有利である。しか もこれによって同時に点火プラグは比較的大きな容量を得ることができ、これに よって沿面・絶縁破壊による放電が行なわれ易くなる。絶縁体の高い誘電係数に もかかわらず沿面・グロー放電を保証するために、点火プラグが請求の範囲第８ 項の本発明の実施態様のように構成されていると有利である。高誘電性の燃焼室 側の絶縁体下側部分によって絶縁体表面における表面荷電発生が促進され、これ によって特に点火電圧を低くすることができる。しかしながら容積の小さな下側 部分のみが高い誘電係数を有する２部分から成る絶縁体によって、点火プラグの 容量は比較的低くされていて、これによって侵食を生ぜしめる熱い絶縁破壊によ る放電が防止される。分離個所における連絡は請求の範囲第９項による高絶縁性 の分離層によって防止される。点火後のアーク放電は請求の範囲第１１項による 本発明の実施態様では中心電極のリード線内のほぼ１キロオームの抵抗によって 阻止される。

図面 本発明を図示の実施例に基づいて以下に詳述する。

このばあい第１図は部分的に破断して内燃機関の点火プラグを示した図、第２図 、第３図、第４図、第５図、第６図、第７図、第８図、第９図、第１０図、第１ １図および第１２図はそれぞれ第１図の点火プラグの燃焼室側の端部区分を概略 的に示した１１の種々の実施例図である。

内燃機関用の第１図で図示された点火プラグは回転対称的な絶縁体１０を有して いて、この絶縁体は長手方向区分で同様に回転対称的な金属ケーシング１１によ って取り囲まれている。金属ケーシングは小径の端部区分１２にねじ山１３を有 していて、このねじ山によって点火プラグが内燃機関のシリンダヘッド内にねじ 込まれる。このねじ込みのために六角形縁部を備えたスパナ係合部１４が用いら れる。シール１５はシリンダヘッド内に点火プラグを気密に組込むのに用いられ る。金属ケーシングはねじ山を備えた燃焼室側の端部区分の端面に管状の接地電 極１６を有している。

絶縁体１００表面にはいわゆる漏え〜・電流ノくリヤとしての多数の環状溝１７ が設けられていてかつ絶縁体１０は更に中央の軸方向の貫通孔１８を備えてＸ、 ７る。

貫通孔１８内にはターミナルピン１９と中心電極２１とが配置されていて、この ターミナルピンはターミナル区分２０によって燃焼室とは反対側の端部で絶縁体 １０から突出している。更に中心電極２１は絶縁体の燃焼室側の端、部区分内で のびていてかつこのばあ曳１抵抗として構成されたガラス融解材料を介してター ミナルピン１９に電気的におよび機械的に接続されている。

中心電極２１の燃焼室側の端面ば自由にされている。

中心電極２１と接地電極１６との間に高電圧をかげたばあいにはこれら電極の間 に沿面スパークギャップ２６が生じ、このばあい点火火花は絶縁体１０の燃焼室 側の自由な表面で生ずる沿面路に沿って連結される。

点火プラグの第１図で図示された実施例では絶縁体は燃焼室側の端部区分で横方 向に分割されていてかつこれによって接続部側の上側部分２３と燃焼室側の下形 成されているのに対して、下側部分の材料は極めて大きな誘電係数、本実施例で は例えば５０−５００の誘電係数を有している。上側部分２３と下側部分２４と の間の分離平面内にはシリコンゴム、エポキシ樹脂又はガラスから成る分離層２ ５が設けられている。公知の点火プラグのばあいのように絶縁体と一体に構成す ることもできかつこのばあい有利には酸化アルミニウムから形成できる。

第２図乃至第１２図では点火プラグの燃焼室側の端部区分の構成の種々の実施例 を示している。すべての実施例では絶縁体の表面は、この表面を貫通して、電圧 をかけたばあいに中心電極２１と接地電極１６との間で生ずる電界の仮想の多数 の電気力線３０がのびるように（第２図参照）、成形されている。このばあい各 実施例では、陰極を成す電極もしくはこの電極の一部は電気力線経過方向でみて 表面２２の後方でこの表面から間隔をおいてかつこの表面に対して任意の傾斜角 を成して案内され℃いる。このばあい間隔は任意である。間隔は表面２２に活っ て同じであるか又は変えることができる。表面２２の後方の位置に基づき前記電 極は後方電極とも呼ばれる。電気力線３０の経過はすべての図面のために第２図 で特（Ｃ概略的に図示している。

第２図、第４図、第５図および第７図乃至第１０図による実施例では陰極を成す 電極は中心電極１６によって形成されているのに対して、第３図、第６図、第１ １図および第１２図による実施例では接地電極１６が陰極を成している。個々の 図面では陰極は（−）によって陽極は（＋）によって示されている。前記図面か ら容易に明らかなように、接地電極１６の管状の端面から（第２図、第４図、第 ５図および第７図乃至第１０図による実施例）もしくは中心電極２１の端面から （第３図、第６図、第１１図および第１２図による実施例）出発する多数の電気 力線は鋭角又は直角を成して表面２２を貫通しかつ表面２２の後方でしかもこの 表面から間隔をおいて位置する陰極に達している。

電気力線に対して斜めに又は垂直に位置する表面２２の表面要素によって電極間 の電圧が増大したばあい絶縁体内での誘電的な変位に基づいて表面２２において 荷電が生せしめられる。この荷電は絶縁体の相対的な誘電係数もしくは誘電率並 びに電界強さに比例している。このような表面荷電によって純粋な気中放電のば あいよりも極めて低い点火電圧のばあいですら又はこのようにして形成されない 沿面放電のばあいですら両電極間で点火火花が連絡される。

第２図乃至第６図および第９図乃至第１２図による点火プラグの実施例では電極 は互いに同心的に配置されている。このばあい電極壁は互いに平行にのびている 。絶縁体の表面はすべての実施例において陽極（十）から陰極（−）に向けて連 続的に上昇、つまり任意の小さな表面要素の垂線と絶縁体の縦軸線２９もしくは 電極の縦軸線とが零度より大きく最高で９０度の角度を成すように、上昇してい る。しかしまた表面の上昇は断続的であってもよい。

第２図、第４図、第５図、第９図および第１０図による実施例では陰極（＝）を 成す中心電極は陽極（＋）を成す接地電極の端部から突出している。これら実施 例では絶縁体の端部区分はコツプ状に、つまり端部区分の長手方向断面形状が接 地電極から中心電極２１に向けて上昇する直線的な（第２図および第９図）又は 湾曲状の又はアーチ状の（第４図および第５図）輪郭を有するように形成されて いる。表面が断続的に上昇するばあいには階段状の輪郭が生ずる。

第３図、第６図、第１１図および第１２図による点火プラグの実施例では陽極（ ＋）を成・す中心電極２１の端部は陰極（−）を成す接地電極１６の管状の端部 に対して著しく引込まれていてかつ絶縁体１０の燃焼室側の端部区分はクレータ 状に、つまり、長手方向断面形状において中心電極２１から接地電極に向けて上 昇する、直線的な（第３図、第１１図および第１２図）もしくは湾曲状の又はア ーチ状の（第６図参照）輪郭を有する側面が生ずるように形成されている。

第７図による点火プラグの実施例では陰極を成す中心電極２１は管状の接地電極 １６から突出する絶縁体範囲で接地電極１６と同心的にのびる中心電極部分に対 して折り曲げられている。これによって中心電極と接地電極１６との間で生ずる 点火火花が第７図で符号２６で図示されているように所定の沿面路に沿ってのび るようになる。

第８図による点火プラグの実施例では絶縁体１０の燃焼室側の表面２２は絶縁体 １０の縦軸線に対して横方向にのびている。前方の端部区分において著しく狭幅 なウェブに移行している著しく広幅な中心電極２１によって本実施例でも表面２ ２の後方に沿って案内された後方電極が形成され、この後方電極は陰極（−〕を 成す。管状の接地電極１６は端部範囲で肉厚に形成されていてかつ自由環状面に よってい（らか表面２２から突出している。本実施例でも陽極（＋）を成す接地 電極１６から出発する電気力線はいわゆる後方電極に対する経路で零度より大き な角度を成して絶縁体１０の表面を貫通する。従って第８図による点火プラグの 実施例のばあいにも冒頭に述べた構造原理が実現される。

前述の点火プラグにおいて生ずる浴面放電は内燃機関の構想に応じてナノ秒範囲 の絶縁破壊による放電として又はミリ秒範囲のグロー放電として又はこれら放電 形式の組合わせとして実現できる。絶縁破壊による放電のばあい点火プラグ自体 内に又は点火プラグの差込み体内にコンデンサを設けることができる。更にまた 絶縁破壊による放電用の点火プラグに高い誘電係数を有する材料から成る一体の 絶縁体１０を設けることができる。附加的に更に予備スパークギャップを設ける こともできる。

数万度になる熱い絶縁破壊による放電のばあい絶縁体の表面２２はその都度束ず る沿面路に泪って融解されかつ部分的に切除される（浸食）。それ故、表面全体 に亘って均一な摩耗が行なわれなければならない。

このことは第９図乃至第１２図の実施例による点火プラグによって得られる。こ の実施例では少なくとも１つの電極の端部区分１６１もしくは２１１は、この端 部区分１６１もしくは２１１の範囲で表面２２に対して平行にのびる絶縁体１０ の切込み面内で測定された電極間の最短距離が平行な切込み面と表面との間隔が 増大するにつれて増大するように形成されている。切込み面は第２図、第３図、 第９図乃至第１２図の実施例では円錐面を成している。第９図乃至第１２図では 平行な切込み面のうちそれぞれ１つの切込み面が鎖線で示されている。図面から 明らかなように、切込み面２８にまで表面２２が摩耗したばあいこの切込み面に 沿って測定された電極間の最短距離が延長される。このばあいこの位置では両電 極間の沿面路長さは表面の摩耗が増大するにつれて増大する。点火火花から最短 距離の沿面路が有利であるので、点火火花がずらされ、かつ、表面２２０周方向 で均一な摩耗が生ぜしめられる。

表面の浸食を減少させるだめのひいては点火プラグの耐用寿命を増大させるため の別の手段として特別なセラミック材料が使用される。このばあい小さな粒子（ １０μｍ以下）を有するセラミック材料並びに細孔のないセラミック材料が特に 摩耗しにくいことが明らかとなった。更に材料としては酸化アルミニウム（Ａ１ ２０６）、サファイヤ、四窒化三ケイ素（５ｉ３Ｎ４）　、石英、酸化ジルコニ ウム（ＺｒＯ２）、磁器、パイレックス（Ｐｙｒ−ｅｘ　）　、ジュラン（Ｄｕ ｒａｎ　）・ガラス等が用いられる。

表面放電発生および絶縁破壊による放電のために必要な容量を改善するために高 い誘電係数（ε、−５０−５００）を有する材料が有利である。例えばレーザー 使用又は気中放電による融解により表面２２を前処理することによって侵食に対 する抵抗性を改善することができる。

沿面・グロー放電を得るために点火プラグはできるだけ低い容量を有する必要が ある。表面放電を改善するために高誘電的な材料を使用するばあい絶縁体１０は 第１図で図示されているように２部分から構成される。必要であれば予備スパー クギャップを差込み体又は点火プラグ内に設けることができる。沿面・グロー放 電は気中放電物理学的にみて比較的冷い放電である。

それというのも電子はイオン衝突によってかつ熱的に電極表面から自由にされな いからである。絶縁体１０の表面２２の浸食は生じない。

Ｆｔ々Ｊ 国際調査報告 １．、＋Ａ＊ｏｍＦｃＴ／ＤＥ　８６１００３６６ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　τＨＥ　 ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＥ？ＯＲτ０ＮＦＲ−Ａ−１１０ ８６０１Ｎｏｎｅ ＵＳ−Ａ−３０４６４３４Ｎｏｎｅ ＦＲ−Ａ−１１４９９１４Ｎｏｎｅ ＣＢ−Ａ−１０４９３２１Ｎｏｎｅ ＣＢ−Ａ−９４９９７ｆ３　Ｎｏｎｅ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．内燃機関用の沿面放電式の点火プラグであって、燃焼室側の端部区分で中央 の中心電極を有する絶縁体と、この絶縁体を長手方向区分で取り囲む金属ケーシ ングとが設けられていて、該金属ケーシングが燃焼室側の端部に中心電極を間隔 をおいて環状に取り囲む接地電極を有していて、この際絶縁体の表面の沿面路に 沿って両電極間で沿面スパークギヤツプが形成されている形式のものにおいて、 絶縁体（１０）の表面（２２）が、この表面が両電極（１６，２１）の間で生ず る電界の多数の仮想の電気力線（３０）によって貫通されるように、成形されて いて、かつ、陰極（一）を成す電極（１６，２１）の少なくとも一部が電気力線 経過方向でみて表面（２２）の後方で該表面から同じか又は可変な間隔をおいて しかも前記表面に対して任意の傾斜角を成して案内されていることを特徴とする 内燃機関用の沿面放電式の点火プラグ。
2. ２．電極（１６，２１）が互いに平行にのびる電極壁を有しかり互いに同心的に 配置されていて、絶縁体（１０）の表面（２２）が陽極（＋）から陰極（−）に 向けて連続的に又は断続的に上昇するように形成されていて、更に、絶縁体（１ ０）の縦軸線（２９）と任意の小さな表面要素の垂線とが零度よりも大きく最高 で９０度である角度（α）を成している請求の範囲第１項記載の点火プラグ。
3. ３．陰極（−）を成す中心電極（２１）が陽極（＋）を成す接地電極（１６）の 端部から著しく突出していて、かつ、絶縁体（１０）の端部区分が、長手方向断 面形状が接地電極（１６）から中心電極（２１）に向けて上昇する直線的な、湾 曲状の又はアーチ状の又は階段状の輪郭を有するように、コップ状に形成されて いる請求の範囲第２項記載の点火プラグ。
4. ４．陽極（＋）を成す中心電極（２１）の端部が陰極（−）を成す接地電極（１ ６）の端部に対して著しく引込まれていて、かつ、絶縁体（１０）の端部区分が 、長手方向断面形状が中心電極（２１）から接地電極（１６）に向けて上昇する 、直線的な、湾曲状の又はアーチ状の又は階段状の輪郭を備えた側面を有するよ うに、クレータ状に形成されている請求の範囲第２項記載の点火プラグ。
5. ５．少なくとも１つの電極（１６，２１）の端部区分（１６１，２１１）が、こ の端部区分範囲で絶縁体（１０）の表面（２２）に沿って平行にのびる絶縁体（ １０）の切込み面（２８）において測定された、他方の電極（２１，１６）から の最短距離が表面（２２）と切込み面（２８）との間隔が増大するにつれて増大 するように、形成されている請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１項記 載の点火プラグ。
6. ６．少なくとも絶縁体（１０）の表面（２２）が細孔のたいおよび／または粒子 の細かいセラミック材料から成っている請求の範囲第１項から第５項までのいず れか１項記載の点火プラグ。
7. ７．表面（２２）が有利にはレーザーを使用することによって融解されている請 求の範囲第６項記載の点火プラグ。
8. ８．絶縁体（１０）が横方向で分割されていて、かつ、上側部分（２３）が比較 的低い誘電率を有する材料から形成されかつ燃焼室側の下側部分（２４）が上側 部分に較べて著しく高い、例えば５−５０倍の誘電率を有する材料から形成され ている請求の範囲第１項から第７項までのいずれか１項記載の点火プラグ。
9. ９．上側部分（２３）と下側部分（２４）との間にシリコンゴム、エポキシ樹脂 又はガラスからなる分離層（２５）が配置されている請求の範囲第８項記載の点 火プラク。
10. １０．上側部分（２３）と下側部分（２４）との間の分離平面が表面（２２）か ら間隔をおいて絶縁体（１０）の燃焼室側の端部区分内に設けられている請求の 範囲第８項又は第９項記載の点火プラグ。
11. １１．中心電極がターミナルピンと導電的に接続されていて、かつ、中心電極（ ２１）とターミナルピン（１９）との間の電気的な接続がキロオーム範囲の抵抗 値の高い抵抗を以つて行なわれている請求の範囲第８項から第１０項までのいず れか１項記載の点火プラグ。