KR101441834B1 - 점화 시스템 및 점화 플러그 - Google Patents

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가츠토시 나카야마
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니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
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Abstract

점화 시스템(31)은 점화 플러그(1)와, 방전용 전원(32)과, 교류 전원(33)을 구비한다. 점화 플러그(1)는 축구멍(4)을 가지는 절연애자(2)와, 축구멍(4) 내에 설치되며 선단이 절연애자(2)의 선단보다도 선단측에 위치하는 전극(8)과, 절연애자(2)의 외주에 배치되는 금속 쉘(3)과, 금속 쉘(3)의 선단부에 고정되며, 전극(8)의 선단부와의 사이에 불꽃 방전 간극(28)을 형성하는 접지전극(27)을 구비한다. 방전용 전원(32)에서의 전압과, 교류 전원(33)에서의 교류 전력이 전극(8)을 통하여 불꽃 방전 간극(28)에 공급되며, 방전용 전원(32)에서의 전압에 의해 불꽃 방전 간극(28)에서 발생한 불꽃에, 교류 전원(33)에서의 교류 전력이 투입된다. 이것에 의해, 제조 비용의 증대를 초래할 일 없이 불꽃에 대해서 에너지를 효율적으로 투입할 수 있으며, 착화성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.

Description

점화 시스템 및 점화 플러그{IGNITION SYSTEM AND SPARK PLUG}
본 발명은 내연기관 등에 사용되는 점화 시스템 및 점화 플러그에 관한 것이다.
내연기관 등의 연소장치에 사용되는 점화 플러그는 예를 들면, 축선방향으로 연장되는 중심전극과, 중심전극의 외주에 형성되는 절연체와, 절연체의 외측에 조립되는 통 형상의 금속 쉘과, 기단부가 금속 쉘의 선단부에 접합된 접지전극을 구비하고 있다. 그리고, 중심전극에 고전압을 인가(印加)함으로써, 중심전극과 접지전극 사이에 형성된 간극에 있어서 불꽃을 발생시키며, 그 결과, 연료 가스에 대한 착화가 이루어지도록 되어 있다.
또한, 근래에 있어서는 착화성 향상을 도모하기 위하여, 고전압을 대신하여 교류 전력(고주파 전력)을 상기 간극에 투입함으로써, 불꽃을 발생시키는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 등 참조).
하지만, 상기 기술에 있어서는 고주파 전력만으로만 불꽃을 발생시키기 때문에, 연소실 내의 상태에 따라, 고주파 전력만으로는 요구 전압을 출력할 수 없을 때도 있다. 따라서, 고주파 전력을 투입하고 있음에도 불구하고, 불꽃이 발생하지 않는 사태(이른바 실화(失火))가 발생되기 쉽다.
여기서, 불꽃을 발생시키기 위한 중심전극 및 접지전극에 더하여, 전자파를 방사하기 위한 안테나를 형성하고, 안테나로부터 방사된 전자파에 의해 상기 양 전극간에 발생한 불꽃(플라스마)을 성장시킴으로써, 착화성 향상을 도모하는 기술이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2 등 참조).
특허문헌1 : 일본국 특허공개 2009-8100호 공보 특허문헌2 : 일본국 특허공개 2009-38026호 공보
하지만, 상기 특허문헌 2에 기재된 기술에 있어서는 전자파가 공간을 통하여 불꽃(플라스마)에 전달되기 때문에, 불꽃에 대해서 에너지를 효율적으로 투입하지 못하고, 착화성 향상 효과가 부족하다. 또한, 전자파를 효율적으로 방사하기 위해서는 전자파의 파장이나 주파수 등의 요소를 감안하여 안테나의 크기 등을 세세하게 조정할 필요가 있으므로 제조 비용의 증대를 초래할 우려가 있다.
본 발명은 상기한 사정에 감안하여 이루어진 것으로서, 제조 비용의 증대를 초래할 일 없이 불꽃에 대해서 에너지를 효율적으로 투입할 수 있으며, 착화성을 비약적으로 향상시킬 수 있는 점화 시스템 및 점화 플러그를 제공하는 것에 있다.
이하에 있어서, 상기 목적을 해결하는데 적합한 각 구성에 대하여, 항목을 나누어서 설명한다. 또한, 필요에 따라서 대응하는 구성에 특유의 작용효과를 부기(附記)한다.
구성 1. 본 구성의 점화 시스템은, 점화 플러그와;
상기 점화 플러그에 불꽃 방전을 발생시키기 위한 전압을 인가하는 방전용 전원과;
상기 불꽃 방전에 의해 발생한 불꽃에 교류 전력을 공급하는 교류 전원;을 구비하는 점화 시스템으로서,
상기 점화 플러그는,
축선방향으로 연장되는 축구멍을 가지는 절연체와;
상기 축구멍 내에 설치되며, 선단이 상기 절연체의 선단보다도 상기 축선방향 선단측에 위치하는 전극과;
상기 절연체의 외주에 배치되는 금속 쉘과;
상기 금속 쉘의 선단부에 고정되며, 상기 전극의 선단부와의 사이에 간극을 형성하는 접지전극;을 구비하며,
상기 방전용 전원에서의 전압과, 상기 교류 전원에서의 교류 전력이 상기 전극을 통하여 상기 간극에 공급되며, 상기 방전용 전원에서의 전압에 의해 상기 간극에서 발생한 불꽃에, 상기 교류 전원에서의 교류 전력이 투입되는 것을 특징으로 한다.
상기 구성 1에 의하면, 방전용 전원에서의 전압과, 교류 전원에서의 교류 전력이 아울러 전극을 통하여(즉, 동일 라인을 통하여) 간극에 공급되도록 구성되어 있다. 따라서, 불꽃에 대해서 공간 등을 통하는 일 없이 교류 전력이 직접 투입되게 되며, 불꽃에 대해서 에너지를 효율적으로 투입할 수 있다. 그 결과, 불꽃에 교류 전력을 투입함으로써 생성되는 플라스마를 보다 큰 것으로 할 수 있으므로 착화성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 구성 1에 있어서는 상기한 종래 기술과 같은 전자파를 방사시키기 위한 조정은 불필요하다. 또한, 전극이 공통의 전송로(傳送路)로서 기능하기 때문에, 안테나 등을 형성하는 경우와 비교하여 부품수를 저감시킬 수 있다. 그 결과, 제조 비용의 억제를 도모할 수 있다.
구성 2. 본 구성의 점화 시스템은 상기 구성 1에 있어서, 상기 교류 전력의 파장을 λ(m)라고 하였을 때,
상기 축선을 따르는, 상기 금속 쉘의 선단에서부터의 상기 전극의 선단의 돌출 길이를 λ/8(m) 이하로 한 것을 특징으로 한다.
상기 구성 2에 의하면, 교류 전력의 파장을 λ(m)라고 하였을 때, 금속 쉘의 선단에서부터의 전극의 선단의 돌출 길이가 λ/8(m) 이하로 충분히 작은 것으로 되어 있다. 따라서, 전극에서의 전자파의 방사를 보다 확실히 방지할 수 있으며, 불꽃에 대해서 더욱 효율적으로 에너지를 투입할 수 있다. 즉, 상기 종래 기술은 전자파를 방사함으로써 불꽃(플라스마)의 강화를 도모하는 것인데, 본 구성 2에 의하면, 종래 기술과는 반대로 전자파의 방사를 방지함으로써, 더욱 큰 플라스마를 발생시킬 수 있으며, 착화성을 보다 더 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 구성 2에 의하면, 전극의 선단부의 과열을 억제할 수 있으므로 전극의 용손(溶損)이나, 전극을 열원(熱源)으로 한 착화라고 하는 사태를 보다 확실히 방지할 수 있다.
구성 3. 본 구성의 점화 시스템은 상기 구성 1 또는 구성 2에 있어서, 1회의 불꽃 방전에서, 불꽃에 투입되는 교류 전력의 평균치를 50W 이상 500W 이하로 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 “평균치”는 1회의 불꽃 방전에 있어서의 교류 전력의 투입 개시부터 투입 종료까지의 시간(초)으로, 투입된 전력량을 제산한 값을 말한다.
상기 구성 3에 의하면, 1회의 불꽃 방전에 있어서 불꽃에 투입되는 교류 전력의 평균치(이하, “평균 전력”이라고 함)가 50W 이상으로 되어 있다. 이로 인해, 플라스마를 보다 확실히 발생시킬 수 있으므로 상기 각 구성의 작용효과를 보다 확실히 발휘시킬 수 있다.
한편, 평균 전력을 증대시키면, 착화성의 향상을 보다 기대할 수 있지만, 사용에 따라 전극의 선단부가 급격히 소모되기 때문에, 방전 전압의 급속한 증대가 염려된다.
이 점에 있어서, 상기 구성 3에 의하면, 평균 전력이 500W 이하로 되어 있기 때문에, 전극의 급격한 소모를 효과적으로 억제할 수 있으므로 방전 전압의 상승 스피드를 억제할 수 있다. 그 결과, 플라스마를 생성 가능한 기간을 보다 장기화할 수 있으므로 뛰어난 착화성을 더욱 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있다.
구성 4. 본 구성의 점화 시스템은 상기 구성 1 내지 구성 3 중 어느 한 구성에 있어서, 간극의 크기를 1.3㎜ 이하로 한 것을 특징으로 한다.
상기 구성 4에 의하면, 간극의 크기가 1.3㎜ 이하로 되어 있기 때문에, 간극에 있어서 발생한 불꽃의 방전 저항을 충분히 작은 것으로 할 수 있다. 이것에 의해, 교류 전력을 불꽃에 대해서 보다 흘러 들기 쉽게 할 수 있으므로 착화성을 보다 더 향상시킬 수 있다.
또한, 간극의 크기를 과도하게 작게 하면, 전극의 선단부와 접지전극 사이가 연료나 카본으로 연결되는 현상(이른바 브리지)이 발생되기 쉬워진다. 여기서, 상기 각 구성의 점화 시스템에 있어서는 불꽃만을 발생시키는 점화 시스템과 비교하여, 플라스마의 영향에 의해 사용시에 있어서 전극이나 접지전극이 보다 고온이 된다. 이로 인해, 전극이나 접지전극의 변형이 보다 발생하기 쉽고, 사용에 따라 간극의 크기가 작은 것이 되기 쉽다. 따라서, 이와 같은 점화 시스템에 있어서, 브리지의 발생을 보다 확실히 방지하기 위해서, 간극의 크기를 충분히 큰 것(예를 들면, 0.5㎜ 이상)으로 하는 것이 바람직하다.
구성 5. 본 구성의 점화 시스템은 상기 구성 1 내지 구성 4 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 간극의 중심으로부터 반경 1㎜ 이내의 범위에, 상기 절연체가 존재하지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, “간극의 중심”이라는 것은, 전극에 있어서 간극을 사이에 두고 접지전극에 대향하는 면(面)의 중심과, 접지전극에 있어서 간극을 사이에 두고 전극에 대향하는 면의 중심을 연결하는 선분의 중점(中点)을 의미한다(이하, 마찬가지).
절연체의 근방에서 불꽃 방전을 발생시키면, 발생한 플라스마가 절연체에 접촉하기 쉬워지므로, 절연체의 표면이 보다 고온이 되기 쉽다. 절연체 표면이 고온이 되면, 카본 등의 이물(異物)이 절연체의 표면에 부착하기 쉬워지므로, 절연체의 표면을 흐른 전류의 리크 등이 발생할 우려가 있다.
이 점에 있어서, 상기 구성 5에 의하면, 간극의 중심으로부터 반경 1㎜의 범위 내에 절연체가 존재하지 않도록 구성되어 있으며, 불꽃 방전이 절연체로부터 떨어진 위치에서 발생하도록 구성되어 있다. 따라서, 발생한 플라스마가 절연체에 접촉하기 어려우며, 나아가서는 절연체의 표면에 대한 이물의 부착을 보다 확실히 방지할 수 있다.
구성 6. 본 구성의 점화 시스템은 상기 구성 1 내지 구성 5 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 교류 전력의 발진 주파수를 5㎒ 이상 100㎒ 이하로 한 것을 특징으로 한다.
방전용 전원에서의 전압과, 교류 전원에서의 교류 전력의 쌍방을 혼합하여 전극에 공급하기에 즈음해서는 교류 전력의 통과를 허용하면서, 방전용 전원에서 출력되는 전류의 교류 전원측으로의 유입을 방지하기 위해서, 콘덴서를 이용하는 것을 생각할 수 있다. 여기서, 교류 전력을 통과시키기 위해서는 교류 전력의 발진 주파수가 작은 만큼, 정전(靜電) 용량의 큰 콘덴서를 이용할 필요가 있다. 그런데, 방전용 전원에서 출력되는 전류에는 비교적 주파수가 높은 성분이 포함될 수 있는데, 교류 전력의 발진 주파수를 작게 하는 것에 대응하여 콘덴서의 정전 용량을 과도하게 크게 하면, 교류 전력뿐만이 아니라 상기 고주파 성분도 콘덴서를 통과할 우려가 있다. 방전용 전원에서 출력되는 전류가 교류 전원 측에 유입되면, 교류 전원의 파손이나 간극에 공급되는 에너지 저하라고 하는 사태를 초래할 우려가 있다.
이 점에 있어서, 상기 구성 6에 의하면, 교류 전력의 발진 주파수가 5㎒ 이상으로 충분히 큰 것으로 되어 있다. 따라서, 교류 전력의 통과를 허용하기 위해서, 콘덴서의 정전 용량을 과도하게 증대시킬 필요가 없으며, 나아가서는 방전용 전원에서 출력되는 전류의 교류 전원측으로의 유입을 방지할 수 있다. 그 결과, 교류 전원의 파손을 보다 확실히 방지할 수 있음과 아울러, 불꽃에 대해서 에너지를 더욱 효율적으로 투입할 수 있다.
한편, 이른바 표피효과에 의해 교류 전력은 도체의 외표면을 흐르게 되는데, 교류 전력의 발진 주파수를 과도하게 크게 하면, 교류 전력의 전송로에 있어서의 전기 저항이 증대됨으로써, 불꽃에 투입되는 에너지가 저하될 우려가 있다.
이 점에 있어서, 상기 구성 6에 의하면, 교류 전력의 발진 주파수가 100㎒ 이하로 되어 있으며, 교류 전력의 전송로에 있어서의 전기 저항의 증대 억제가 도모되고 있다. 그 결과, 불꽃에 대해서 에너지를 보다 더 효율적으로 투입할 수 있으므로 착화성을 더욱 향상시킬 수 있다.
구성 7. 본 구성의 점화 시스템은 상기 구성 1 내지 구성 6 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 점화 플러그에 있어서의 상기 금속 쉘의 선단보다도 상기 축선방향 선단측에 위치하는 부위가 가지는 정전 용량을 상기 점화 플러그 전체가 가지는 정전 용량의 1/100 이하로 한 것을 특징으로 한다.
점화 플러그 전체가 가지는 정전 용량에 대해서, 점화 플러그에 있어서의 금속 쉘보다도 선단측에 위치하는 부위의 정전 용량이 차지하는 비율이 크면, 불꽃 방전시와 플라스마 발생시에 교류 전원을 기준으로 한 점화 플러그측의 임피던스 변화가 커진다. 그 결과, 전력의 반사가 발생되기 쉬워지므로, 불꽃에 투입되는 에너지의 저하를 초래할 우려가 있다.
이 점에 있어서, 상기 구성 7에 의하면, 점화 플러그에 있어서의 금속 쉘의 선단보다도 선단측에 위치하는 부위가 가지는 정전 용량이 점화 플러그 전체가 가지는 정전 용량의 1/100 이하로 매우 작은 것으로 되어 있다. 이로 인해, 불꽃 방전시와 플라스마 발생시에 있어서의 임피던스 변화를 지극히 작은 것으로 할 수 있으며 전력의 반사를 극력히 억제할 수 있다. 그 결과, 불꽃에 대해서 에너지를 더욱 효율적으로 투입할 수 있으므로 착화성 향상을 더욱 도모할 수 있다.
구성 8. 본 구성의 점화 시스템은 상기 구성 1 내지 구성 7 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 전극, 상기 접지전극 및 상기 절연체에 있어서의 상기 간극의 중심으로부터 반경 2.5㎜의 범위 내에 위치하는 부위의 합계 체적을 20㎣ 이하로 한 것을 특징으로 한다.
불꽃에 의해 착화하는 타입의 점화 플러그의 분야에서는 착화성 향상을 도모하기 위하여, 접지전극에 있어서 전극의 선단부와 대향하는 부위에 돌기부를 형성하는 수법이 알려져 있다(예를 들면, 일본국 특허공개 2009－37750호 공보 참조). 해당 수법에 의하면, 불꽃에 의해 발생한 초기 화염의 성장이 전극이나 접지전극에 의해서 저해되는 사태를 억제할 수 있다고 여겨지고 있다.
여기서, 상기 구성 1 등의 점화 시스템〔즉, 착화성 향상을 더욱 도모하기 위하여, 교류(고주파) 전력을 상기 간극에 투입함으로써, 상기 간극에 교류(고주파) 플라스마를 발생시키는 것〕에 있어서도, 불꽃에 의해 착화하는 타입의 점화 플러그와 마찬가지로, 상기 일본국 특허공개 2009－37750호 공보에 기재된 수법을 채용함으로써 착화성 향상을 도모하는 것을 생각할 수 있다.
여기서, 본원 발명자가 도 23(a)에 나타낸 바와 같이, 접지전극(27)에 있어서 전극(8)의 선단부와 대향하는 부위에 돌기부(27P)를 형성한 점화 플러그의 샘플(샘플 A)과, 도 23(b)에 나타낸 바와 같이, 접지전극(27)에 있어서 중심전극(5)과 대향하는 부위를 평탄 형상으로 형성한 점화 플러그의 샘플(샘플 B)을 제작하고, 고전압을 인가하여서 불꽃을 발생시켰을 때의 실화율(失火率)과, 교류 전력(고주파 전력)을 투입하여서 플라스마를 발생시켰을 때의 실화율을 각각의 샘플에 대하여 측정함으로써, 착화성의 향상 여부를 확인하였다. 표 1에 각 샘플에 있어서의 고전압을 인가하였을 때의 실화율과, 교류 전력을 투입하였을 때의 실화율을 나타낸다. 또한, 실화율은 실화가 발생한 비율을 나타내고, 작을 수록 착화성이 뛰어난 것을 의미한다. 또한, 고전압의 인가는 출력 에너지 30mJ의 전원 장치를 이용하여 실시하고, 교류 전력의 투입은 발진 주파수 13㎒, 출력 전력(투입되는 전력량의 1초 당 평균치)을 300W로 한 고주파 전원을 이용하여 실시하며, 전력의 투입시간을 1㎳로 하였다. 또한, 고전압의 인가 및, 교류 전력의 투입 모두, 각각 1000회씩 실시하였다. 또한, 각 샘플 모두, 전극의 선단부의 외경을 1.5㎜, 간극의 크기를 0.8㎜로 하고, 샘플 A에 있어서 돌기부(27P)의 외경을 1.5㎜로 하였다.

 실화율
고전압 인가 교류 전력 투입
샘플 A 0.0% 0.3%
샘플 B 0.5% 0.0%
표 1에 나타낸 바와 같이, 고전압을 인가하여서 불꽃을 발생시키는 경우에는 샘플 B보다도 샘플 A가 착화성이 뛰어났지만, 교류 전력을 투입하여서 플라스마를 생성하는 경우에는 샘플 A가 샘플 B보다도 착화성이 뒤떨어지는 결과가 나왔다. 즉, 불꽃에 의해 착화를 실시하는 타입의 점화 플러그에 있어서 착화성 향상을 실현할 수 있는 수법을 이용했다고 해도, 플라스마에 의해 착화를 실시하는 타입의 점화 플러그에 있어서는 반드시 착화성을 향상할 수 없다는 것이 분명해졌다.
이와 같은 결과는 다음과 같은 이유에 의해 발생한 것이라고 생각할 수 있다. 즉, 불꽃에 의해 착화하는 타입의 점화 플러그에 있어서는 착화성을 향상시키기 위해서, 불꽃에 의해 발생한 초기 화염의 성장을 얼마나 저해하지 않는지가 포인트가 된다. 따라서, 초기 화염을 보다 성장시키기 위해서는 샘플 A처럼 특히 불꽃의 발생 위치(간극)의 근방에 있어서, 접지전극이나 중심전극의 볼륨을 작게 하는 것이 효과적이다. 한편, 플라스마에 의해 착화하는 타입의 점화 플러그에 있어서는 전력의 투입 직후에 상기 초기 화염보다도 훨씬 더 큰 플라스마가 발생 가능하며, 착화성 향상을 도모하기 위해서는 전력의 투입 직후에 있어서 얼마나 큰 플라스마를 발생시킬지가 중요하게 된다. 따라서, 이와 같은 점화 플러그에 있어서 착화성 향상을 도모하기 위해서는 간극을 중심으로 한, 플라스마가 발생할 수 있는 넓은 범위에 있어서, 접지전극이나 중심전극의 볼륨을 적절히 설정할 필요가 있으며, 간극의 근방에 있어서의 접지전극 등의 볼륨을 작게 하는 것만으로는 불충분하다.
이 점을 감안하여, 상기 구성 8에 의하면, 간극의 중심으로부터 반경 2.5㎜의 범위라고 하는 매우 넓은 범위에 있어서, 전극, 접지전극 및 절연체의 합계 체적이 20㎣ 이하로 되어 있다. 즉, 플라스마가 발생할 수 있는 범위 내에 있어서, 전극이나 접지전극 등의 합계 체적이 충분히 작은 것으로 되어 있다. 따라서, 교류 전력의 투입 직후에 있어서, 전극이나 접지전극 등에 극력히 저해되는 일 없이 보다 큰 플라스마를 발생시킬 수 있다. 그 결과, 착화성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.
구성 9. 본 구성의 점화 시스템은 상기 구성 8에 있어서, 상기 전극과 상기 접지전극 사이를 연결하며, 상기 간극의 최단 거리를 형성하는 선분이 연장되는 방향을 따라서, 상기 선분과 직교하는 면(面)에, 상기 접지전극과 상기 간극의 중심을 투영하였을 때의 투영면에 있어서,
상기 간극의 중심의 투영점으로부터 반경 2㎜의 범위 내에 위치하는 상기 접지전극의 투영영역의 면적이 7.6㎟ 이하로 되는 것을 특징으로 한다.
상기 구성 9에 의하면, 접지전극에 의한 플라스마의 성장 저해를 보다 확실히 억제할 수 있으므로 보다 더 큰 플라스마를 발생시킬 수 있다. 그 결과, 착화성을 더욱 향상시킬 수 있다.
구성 10. 본 구성의 점화 시스템은 상기 구성 8 또는 구성 9에 있어서, 상기 접지전극은 상기 축선방향에 있어서 상기 간극에 대응하는 간극 대응부를 가지며,
상기 간극 대응부의 최소폭을 3.0㎜ 이하로 한 것을 특징으로 한다.
또한, “간극 대응부”라는 것은 접지전극에 있어서, 축선방향을 따라서 간극의 높이 위치와 같은 높이 위치에 있는 부위를 의미한다.
내연기관 등의 연소실 내에는 스월 등의 기류가 발생하고 있으며, 상기 기류에 의해 간극에서 벗어나듯이 플라스마가 확산됨으로써, 플라스마를 크게 성장시킬 수 있다. 그런데, 내연기관 등의 연소장치에 대한 점화 플러그의 부착 상태에 따라서는 기류가 접지전극의 배면측으로부터 간극측을 향하여 발생하는 경우가 있다. 이 경우에는 접지전극에 의해 간극에 대해서 기류가 흘러 들기 어려워짐으로써, 플라스마를 크게 성장시키는 것이 어려워질 우려가 있다.
이 점에 있어서, 상기 구성 10에 의하면, 접지전극에 있어서 간극에 대응하는 간극 대응부의 최소폭이 3.0㎜ 이하로 되어 있으며, 간극에 대해서 기류를 흘러 들기 쉽게 할 수 있다. 그 결과, 기류에 실어서 플라스마를 보다 크게 성장시킬 수 있으므로 착화성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 간극 대응부의 최소폭을 작게 하는 만큼 착화성 향상을 기대할 수 있지만, 접지전극을 과도하게 가늘게 하면, 접지전극으로부터 금속 쉘측으로의 열전도에 지장이 생김으로써, 접지전극의 내(耐)소모성이 저하될 우려가 있다. 따라서, 내소모성 저하를 방지한다고 하는 관점으로부터, 간극 대응부의 최소폭을 1.0㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
구성 11. 본 구성의 점화 시스템은 상기 구성 8 내지 구성 10 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 축선방향 선단측에서 보았을 때,
상기 전극의 선단면의 적어도 일부가 시인(視認) 가능하게 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 구성 11에 의하면, 접지전극에 저해되는 일 없이 연소실의 중심측을 향하여 플라스마가 보다 확산되기 쉬워진다. 그 결과, 착화성을 보다 더 향상시킬 수 있다.
구성 12. 본 구성의 점화 시스템은 상기 구성 8 내지 구성 11 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 전극에 있어서의 적어도 선단부는 원기둥 형상을 이루며,
상기 전극의 선단부의 외경을 3.0㎜ 이하로 한 것을 특징으로 한다.
상기 구성 12에 의하면, 전극의 선단부에 의한 플라스마의 성장 저해를 효과적으로 억제할 수 있으므로 착화성 향상을 더욱 도모할 수 있다.
또한, 전극의 선단부의 외경을 과도하게 작게 하면, 사용에 따라 간극이 급속히 확대되어서, 방전 전압의 급격한 상승, 나아가서는 플라스마를 생성 가능한 기간단축이라는 사태를 초래할 우려가 있다. 따라서, 뛰어난 착화성을 장기간에 걸쳐서 유지한다는 점으로부터, 전극의 선단부의 외경을 0.5㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
구성 13. 본 구성의 점화 시스템은 상기 구성 8 내지 구성 12 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 축선을 따르는 상기 금속 쉘의 선단에 대한 상기 접지전극의 돌출 길이를 10㎜ 이하로 한 것을 특징으로 한다.
상기 구성 13에 의하면, 접지전극의 선단부에서 금속 쉘까지의 열전도 경로가 짧아지므로, 접지전극의 열을 금속 쉘측으로 보다 원활하게 전도할 수 있다. 그 결과, 접지전극의 과열을 억제할 수 있으므로 접지전극의 내소모성을 보다 더 향상시킬 수 있다.
구성 14. 본 구성의 점화 플러그는 상기 구성 1 내지 구성 13 중 어느 한 구성에 기재된 점화 시스템에 이용되는 것을 특징으로 한다.
상기 구성 14에 의하면, 기본적으로는 상기 구성 1 등과 같은 작용효과를 갖는다.
도 1은 점화 시스템의 개략 구성을 나타내는 블럭도
도 2는 점화 플러그의 구성을 나타내는 일부 파단 정면도
도 3은 점화 플러그의 선단부의 구성을 나타내는 부분 확대 정면도
도 4는 비교예에 상당하는 샘플의 구성을 나타내는 모식도
도 5는 중심전극의 돌출 길이(L)를 여러 가지로 변경한 샘플에 있어서의, 착화성 평가시험의 결과를 나타내는 그래프
도 6은 불꽃 방전 간극의 크기(G)를 여러 가지로 변경한 샘플에 있어서의, 착화성 평가시험의 결과를 나타내는 그래프
도 7은 제 2 실시형태에 있어서의, 점화 플러그의 구성을 나타내는 일부 파단 정면도
도 8은 점화 플러그의 선단부의 구성을 나타내는 부분 확대 정면도
도 9는 접지전극 등을 투영시킨 투영면을 나타내는 투영도
도 10(a)는 점화 플러그의 선단부의 구성을 나타내는 부분 확대 정면도이며, 도 10(b)는 점화 플러그의 선단부의 구성을 나타내는 부분 확대 측면도
도 11은 점화 플러그의 선단부의 구성을 나타내는 부분 확대 저면도
도 12는 합계 체적을 여러 가지로 변경한 샘플에 있어서의, 착화성 평가시험의 시험결과를 나타내는 그래프
도 13은 투영 면적을 여러 가지로 변경한 샘플에 있어서의, 착화성 평가시험의 시험결과를 나타내는 그래프
도 14는 간극 대응부의 최소폭을 여러 가지로 변경한 샘플에 있어서의, 착화성 평가시험의 시험결과를 나타내는 그래프
도 15는 다른 실시형태에 있어서의 점화 플러그 선단부의 구성을 나타내는 부분 확대 저면도
도 16(a)는 다른 실시형태에 있어서의 점화 플러그의 선단부의 부분 확대 정면도이며, 도 16(b)는 다른 실시형태에 있어서의 점화 플러그의 선단부의 부분 확대 저면도
도 17(a)는 다른 실시형태에 있어서의 점화 플러그의 선단부의 부분 확대 정면도이며, 도 17(b)는 다른 실시형태에 있어서의 점화 플러그의 선단부의 부분 확대 저면도
도 18(a)~(c)는 다른 실시형태에 있어서의 점화 플러그의 선단부의 구성을 나타내는 부분 확대 정면도
도 19(a)~(c)는 다른 실시형태에 있어서의 점화 플러그의 선단부의 구성을 나타내는 부분 확대 정면도
도 20(a)는 다른 실시형태에 있어서의 점화 플러그의 선단부의 부분 확대 정면도이며, 도 20(b)는 다른 실시형태에 있어서의 점화 플러그의 선단부의 부분 확대 저면도
도 21(a)는 다른 실시형태에 있어서의 점화 플러그의 선단부의 부분 확대 정면도이며, 도 21(b)는 다른 실시형태에 있어서의 점화 플러그의 선단부의 부분 확대 저면도
도 22는 다른 실시형태에 있어서의 점화 플러그의 선단부의 부분 확대 정면도
도 23(a)는 샘플 A의 선단부의 구성을 나타내는 부분 확대 정면도이며, 도 23(b)는 샘플 B의 선단부의 구성을 나타내는 부분 확대 정면도
이하에, 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
《제 1 실시형태》
도 1은 점화 시스템(31)의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다. 또한, 도 1에서는 점화 플러그(1)를 1개만 나타내고 있지만, 실제의 연소장치에는 복수의 기통이 형성되며, 각 기통에 대응하여 점화 플러그(1)가 형성된다. 그리고, 후술하는 방전용 전원(32)이나, 교류 전원(33)에서의 전력은 도시하지 않은 배전기를 통하여 각 점화 플러그(1)에 공급되도록 되어 있다.
점화 시스템(31)은 점화 플러그(1)와, 방전용 전원(32)과, 교류 전원(33)과, 혼합회로(34)를 구비하고 있다.
방전용 전원(32)은 점화 플러그(1)에 대해서 고전압을 공급하여서, 후술하는 불꽃 방전 간극(28)에서 불꽃 방전을 발생시키는 것이다. 또한, 방전용 전원(32)으로서는 예를 들면, 점화 코일을 이용할 수 있다.
교류 전원(33)은 점화 플러그(1)에 대해서 교류 전력을 공급하는 것이다. 또한, 교류 전원(33)과 혼합회로(34) 사이에는 임피던스 매칭회로(35)가 형성되어 있다. 해당 임피던스 매칭회로(35)에 의해, 교류 전원(33)측의 출력 임피던스와, 혼합회로(34)나 점화 플러그(1)(부하)측의 입력 임피던스가 일치하도록 구성되어 있으며, 점화 플러그(1)측으로 공급되는 교류 전력의 감쇠 방지가 도모되고 있다. 또한, 교류 전원(33)에서 점화 플러그(1)까지의 교류 전력의 전송로는 내부 도체와, 해당 내부 도체의 외주에 배치된 외부도체를 가지는 동일 축 케이블에 의해서 구성되어 있으며, 그 결과, 전력의 반사 방지가 도모되고 있다.
혼합회로(34)는 방전용 전원(32)에서 출력되는 고전압의 전송로(38A)와, 교류 전원(33)에서 출력되는 교류 전력의 전송로(38B)를 점화 플러그(1)에 접속되는 1개의 전송로(38C)에 합치는 것이며, 코일(36)과 콘덴서(37)를 구비하고 있다. 코일(36)에 있어서는 방전용 전원(32)에서 출력되는 비교적 저주파수의 전류가 통과 가능한 한편, 교류 전원(33)에서 출력되는 비교적 고주파수의 전류가 통과 불가능하며, 교류 전원(33)에서 출력되는 전류의 방전용 전원(32)측으로의 유입이 억제되어 있다. 한편, 콘덴서(37)에 있어서는 교류 전원(33)에서 출력되는 비교적 고주파수의 전류가 통과 가능한 한편, 방전용 전원(32)에서 출력되는 비교적 저주파수의 전류가 통과 불가능하며, 방전용 전원(32)에서 출력되는 전류의 교류 전원(33)측으로의 유입이 억제되어 있다. 또한, 방전용 전원(32)으로서 점화 코일을 이용하는 경우에는 점화 코일이 가지는 2차 코일을 상기 코일(36) 대신 이용함으로써 코일(36)을 생략하여도 좋다.
점화 플러그(1)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 통형상을 이루는 절연체로서의 절연애자(2), 이것을 지지하는 통형상의 금속 쉘(3) 등으로 구성되는 것이다. 또한, 도 2에서는 점화 플러그(1)의 축선(CL1)방향을 도면에 있어서의 상하 방향으로 하되, 하측을 점화 플러그(1)의 선단측, 상측을 후단측으로서 설명한다.
절연애자(2)는 주지하는 바와 같이, 알루미나 등을 소성하여서 형성되어 있으며, 그 외형부에 있어서, 후단측에 형성된 후단측 몸통부(10)와, 해당 후단측 몸통부(10)보다도 선단측에서 지름방향 외측을 향하여 돌출 형성된 대경부(大徑部, 11)와, 해당 대경부(11)보다도 선단측에서 이것보다도 작은 지름으로 형성된 중간 몸통부(12)와, 해당 중간 몸통부(12)보다도 선단측에서 이것보다도 작은 지름으로 형성된 다리부(13)를 구비하고 있다. 또한, 절연애자(2)에 있어서의 대경부(11), 중간 몸통부(12) 및 다리부(13)의 대부분은 금속 쉘(3)의 내부에 수용되어 있으며, 후단측 몸통부(10)는 금속 쉘(3)의 후단으로부터 노출되어 있다. 또한, 중간 몸통부(12)와 다리부(13)의 연접부에는 테이퍼 형상의 단차부(14)가 형성되어 있으며, 해당 단차부(14)에 의해서 절연애자(2)가 금속 쉘(3)에 걸려 고정되어 있다.
또한, 절연애자(2)에는 축선(CL1)을 따라서 축구멍(4)이 관통 형성되어 있으며, 해당 축구멍(4)에는 전극(8)이 삽입, 고정되어 있다. 전극(8)은 축구멍(4)의 선단측에 형성된 중심전극(5)과, 축구멍(4)의 후단측에 형성된 단자전극(6)과, 양 전극(5,6)의 사이에 형성된 유리 밀봉부(7)를 구비하고 있다.
중심전극(5)은 전체적으로 봉형상을 이루며, 그 선단이 절연애자(2)의 선단에서 축선(CL1)방향 선단측으로 돌출되어 있다. 또한, 중심전극(5)은 니켈(Ni)을 주성분으로 하는 Ni합금에 의해 구성되어 있다. 또한, 중심전극(5)의 내부에, 열전도성이 뛰어난 구리나 구리합금으로 이루어지는 내층을 형성하여도 좋다. 이 경우에는 중심전극(5)의 열전도성이 향상하므로, 내(耐)소모성 향상을 도모할 수 있다.
단자전극(6)은 저탄소강 등의 금속에 의해 형성되어 있으며, 전체적으로 봉형상을 이루고 있다. 또한, 단자전극(6)의 후단부에는 지름방향 외측으로 돌출 형성된 접속부(6A)가 형성되어 있다. 해당 접속부(6A)는 절연애자(2)의 후단으로부터 돌출되어 있으며, 상기 혼합회로(34)의 출력{전송로(38C)}과 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 유리 밀봉부(7)는 금속 분말이나 유리 분말 등의 혼합물이 소결(燒結)됨으로써 형성된 것으로서, 중심전극(5) 및 단자전극(6)을 전기적으로 접속함과 아울러, 절연애자(2)에 대해서 양 전극(5,6)을 고정하고 있다.
상기 금속 쉘(3)은 저탄소강 등의 금속에 의해서 통형상으로 형성되어 있으며, 그 외주면에는 점화 플러그(1)를 연소장치(예를 들면, 내연기관이나 연료 전지 개질기 등)의 부착구멍에 부착하기 위한 나사부(수나사부, 15)가 형성되어 있다. 또한, 나사부(15)의 후단측의 외주면에는 시트부(16)가 형성되고, 나사부(15)의 후단의 나사 목부(17)에는 링 형상의 개스킷(18)이 끼워져 있다. 또한 금속 쉘(3)의 후단측에는 금속 쉘(3)을 상기 연소장치에 부착할 때에 렌치 등의 공구를 걸어 맞추기 위한 단면 육각형상의 공구 걸어맞춤부(19)가 형성됨과 아울러, 후단부에 있어서 절연애자(2)를 지지하기 위한 코킹부(20)가 형성되어 있다.
또한, 금속 쉘(3)의 내주면에는 절연애자(2)를 걸어 고정하기 위한 테이퍼 형상의 단차부(21)가 형성되어 있다. 그리고, 절연애자(2)는 금속 쉘(3)의 후단측에서 선단측으로 향해서 삽입되되, 자신의 단차부(14)가 금속 쉘(3)의 단차부(21)에 걸려 고정된 상태에서 금속 쉘(3)의 후단측의 개구 부를 지름방향 내측으로 코킹함으로써, 즉 상기 코킹부(20)를 형성함으로서 금속 쉘(3)에 고정되어 있다. 또한, 절연애자(2) 및 금속 쉘(3) 쌍방의 단차부(14,21) 사이에는 원환형상의 판패킹(22)이 개재되어 있다. 이것에 의해서, 연소실 내의 기밀성이 유지되며, 연소실 내로 노출되는 절연애자(2)의 다리부(13)와 금속 쉘(3)의 내주면의 틈새로 흘러 들어오는 연료 가스가 외부로 누설되지 않도록 되어 있다.
또한, 코킹에 의한 밀폐를 보다 완전한 것으로 하기 위해, 금속 쉘(3)의 후단측에 있어서는 금속 쉘(3)과 절연애자(2) 사이에 환형상의 링 부재(23,24)가 개재되고, 링 부재(23,24) 사이에는 탈크(활석, 25)분말이 충전되어 있다. 즉, 금속 쉘(3)은 판패킹(22), 링 부재(23,24) 및 탈크(25)를 통하여 절연애자(2)를 지지하고 있다.
또한, 금속 쉘(3)의 선단부(26)에는 Ni를 주성분으로 하는 합금에 의해 형성되며, 대략 중간부분에서 굴곡된 접지전극(27)이 접합되어 있다. 접지전극(27)은 그 선단측 측면이 전극(8){중심전극(5)}의 선단부와 대향하고 있으며, 전극(8)의 선단부와 접지전극(27)의 선단측 측면 사이에는 간극으로서의 불꽃 방전 간극(28)이 형성되어 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 접지전극(27)은 자신의 길이방향을 따라서 동일한 폭을 가지도록 구성되어 있다.
본 실시형태에서는 방전용 전원(32)에서의 전압과 교류 전원(33)에서의 교류 전력이 전극(8)을 통하여 불꽃 방전 간극(28)에 공급되며, 방전용 전원(32)에서의 전압에 의해 불꽃 방전 간극(28)에서 발생한 불꽃에, 교류 전원(33)에서의 교류 전력이 투입됨으로써 플라스마를 발생시키도록 구성되어 있다. 즉, 전극(8)을 공통의 전송로로서 방전용 전원(32)에서의 전압과 교류 전원(33)에서의 교류 전력이 불꽃 방전 간극(28)에 공급되며, 그 결과, 불꽃 방전 간극(28)에서 발생한 불꽃에 대해서, 교류 전력이 직접 투입되도록 구성되어 있다.
또한, 교류 전원(33)에서 공급되는 교류 전력의 파장을 λ(m)라고 하였을 때, 축선(CL1)을 따르는, 금속 쉘(3)의 선단에서부터의 전극(8){중심전극(5)}의 선단의 돌출 길이(L)가 λ/8(m) 이하로 되어 있다.
또한, 점화 플러그(1)에 있어서는 도 3에 나타낸 바와 같이, 불꽃 방전 간극(28)의 크기(G)가 0.5㎜ 이상 1.3㎜ 이하로 되어 있다. 또한, 불꽃 방전 간극(28)의 중심(CP)으로부터 반경 1㎜ 이내의 범위에, 절연애자(2)가 존재하지 않도록 구성되어 있다. 또한, “불꽃 방전 간극(28)의 중심(CP)”이라는 것은 전극(8)에 있어서 불꽃 방전 간극(28)을 사이에 두고 접지전극(27)에 대향하는 면(面)의 중심과, 접지전극(27)에 있어서 불꽃 방전 간극(28)을 사이에 두고 전극(8)에 대향하는 면의 중심을 연결하는 선분의 중점(中点)을 의미한다.
아울러, 점화 플러그(1)는 금속 쉘(3)과, 접지전극(27) 및 전극(8) 사이에 절연애자(2)가 협지된 형태(즉, 절연체를 전극으로 협지한 콘덴서와 같은 형태)이기 때문에, 점화 플러그(1)는 어느 정도의 정전 용량을 가지고 있다. 본 실시형태에서는 축선(CL1)을 따르는 금속 쉘(3)의 길이나 절연애자(2)의 두께를 조절함으로써, 점화 플러그(1)에 있어서의 금속 쉘(3)의 선단보다도 축선(CL1)방향 선단측에 위치하는 부위가 가지는 정전 용량이 점화 플러그(1) 전체가 가지는 정전 용량의 1/100 이하로 설정되어 있다.
또한, 교류 전원(33)에서 공급되는 교류 전력의 발진 주파수는 5㎒ 이상 100㎒ 이하로 되어 있다. 또한, 1회의 불꽃 방전에서, 불꽃에 투입되는 교류 전력의 평균치(평균 전력)가 50W 이상 500W 이하가 되도록, 투입되는 교류 전력의 전력량이나 교류 전력의 투입시간이 조절되어 있다.
이상 상술한 것처럼, 본 실시형태에 의하면, 방전용 전원(32)에서의 전압과 교류 전원(33)에서의 교류 전력이 아울러 전극(8)을 통하여(즉, 동일 라인을 통하여) 불꽃 방전 간극(28)에 공급되도록 구성되어 있다. 따라서, 불꽃에 대해서 공간 등을 통하는 일 없이 교류 전력이 직접 투입되게 되며, 불꽃에 대해서 에너지를 효율적으로 투입할 수 있다. 그 결과, 보다 큰 플라스마를 발생시킬 수 있으므로 착화성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 전극(8)이 공통의 전송로(傳送路)로서 기능하기 때문에, 부품수를 저감시킬 수 있으며, 제조 비용의 억제를 도모할 수 있다.
또한, 교류 전력의 파장을 λ(m)라고 하였을 때, 전극(8)의 선단의 돌출 길이(L)가 λ/8(m) 이하로 충분히 작은 것으로 되어 있다. 따라서, 전극(8)에서의 전자파의 방사를 보다 확실히 방지할 수 있으며, 불꽃에 대해서 더욱 효율적으로 에너지를 투입할 수 있다. 또한, 전극(8)의 선단부의 과열을 억제할 수 있으므로 전극(8)의 용손(溶損)이나 전극(8)을 열원(熱源)으로 한 착화라고 하는 사태를 보다 확실히 방지할 수 있다.
또한, 평균 전력이 50W 이상 500W 이하로 되어 있기 때문에, 플라스마를 보다 확실히 발생시킬 수 있음과 아울러, 전극(8)의 급격한 소모를 효과적으로 억제할 수 있다. 그 결과, 안정적인 착화를 도모할 수 있음과 아울러, 뛰어난 착화성을 더욱 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있다.
아울러, 불꽃 방전 간극(28)의 크기(G)가 1.3㎜ 이하로 되어 있기 때문에, 불꽃 방전 간극(28)에서 발생한 불꽃의 방전 저항을 충분히 작은 것으로 할 수 있다. 이것에 의해, 교류 전력을 불꽃에 대해서 보다 흘러 들기 쉽게 할 수 있으므로 착화성을 보다 더 향상시킬 수 있다. 한편, 불꽃 방전 간극(28)의 크기(G)가 0.5㎜ 이상으로 되어 있기 때문에, 전극(8)의 선단부와 접지전극(27) 사이에 있어서의 브리지의 발생을 보다 확실히 방지할 수 있다.
또한, 불꽃 방전 간극(28)의 중심(CP)으로부터 반경 1㎜의 범위 내에 절연애자(2)가 존재하지 않도록 구성되어 있으며, 불꽃 방전이 절연애자(2)로부터 떨어진 위치에서 발생하도록 구성되어 있다. 따라서, 절연애자(2)의 표면에 대한 카본 등의 이물(異物)의 부착을 보다 확실히 방지할 수 있으므로 전류의 리크를 보다 확실히 억제할 수 있다.
또한, 교류 전력의 발진 주파수가 5㎒ 이상으로 충분히 큰 것으로 되어 있기 때문에, 교류 전력의 통과를 허용하기 위해서, 콘덴서(37)의 정전 용량을 과도하게 증대시킬 필요가 없어지며, 방전용 전원(32)에서 출력되는 전류의 교류 전원(33)측으로의 유입을 방지할 수 있다. 그 결과, 교류 전원(33)의 파손을 보다 확실히 방지할 수 있음과 아울러, 불꽃에 대해서 에너지를 더욱 효율적으로 투입할 수 있다. 한편, 교류 전력의 발진 주파수는 100㎒ 이하로 되어 있기 때문에, 교류 전원(33)의 전송로에 있어서의 전기 저항의 증대 억제를 도모할 수 있으므로 착화성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 점화 플러그(1)에 있어서의 금속 쉘(3)의 선단보다도 선단측에 위치하는 부위가 가지는 정전 용량이 점화 플러그(1) 전체가 가지는 정전 용량의 1/100 이하로 매우 작은 것으로 되어 있다. 그 때문에, 전력의 반사를 극력히 억제할 수 있으므로 착화성 향상을 더욱 도모할 수 있다.
이어서, 상기 실시형태에 의해서 가지는 작용효과를 확인하기 위하여, 축선을 따르는 전극(중심전극)의 돌출 길이(L)를 여러 가지로 변경한 점화 플러그의 샘플(본 발명에 상당한다)과, 도 4에 나타낸 바와 같이, 방전용 전원(32)에 접속되며 자신의 선단부와 접지전극(41) 사이에 불꽃을 발생시키는 전극(42)과, 교류 전원(33)에 접속되며 선단부에 있어서 전자파를 방사함으로써 공간을 통하여 고주파 에너지를 불꽃에 투입하는 안테나(43)을 각각 갖춘 점화 플러그의 샘플(비교예에 상당한다)을 제작하여서, 각 샘플에 대하여 착화성 평가시험을 실시하였다. 착화성 평가시험의 개요는 다음과 같다. 즉, 각 샘플을 소정의 챔버에 부착한 다음, 교류 전력의 발진 주파수를 2.45㎓, 교류 전원의 출력을 500mJ로서 플라스마를 발생시킴과 아울러, 샘플의 측면측으로부터 발생한 플라스마를 촬상하여서, 촬상 화상으로부터 플라스마의 크기(플라스마 면적)를 측정하였다. 그리고, 비교예에 상당하는 샘플의 플라스마 면적에 대한, 본 발명에 상당하는 샘플의 플라스마 면적의 비율(면적비)을 산출하였다. 도 5에 있어서 해당 시험의 시험결과를 나타낸다. 또한, 도 5에 있어서, 샘플 X는 비교예에 상당하는 샘플을 의미한다. 또한, 샘플 1~3은 각각 본 발명에 상당하는 샘플을 의미하며, 샘플 1은 돌출 길이(L)를 λ/6(m)으로 한 것이며, 샘플 2는 돌출 길이(L)를 λ/8(m)으로 한 것이며, 샘플 3은 돌출 길이(L)를 λ/10(m)으로 한 것이다(λ는 교류 전력의 파장을 나타낸다).
도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 상당하는 샘플(샘플 1~3)은 비교예에 상당하는 샘플(샘플 X)과 비교해서 플라스마 면적이 증대하며, 각각 뛰어난 착화성을 가지는 것이 분명해졌다. 이것은 교류 전력이 공간을 통하는 일 없이 불꽃에 대해서 직접 투입됨으로써, 공간을 통하는 것에 따르는 에너지의 손실이 발생기지 않았던 것에 기인한다고 생각할 수 있다.
또 특히, 돌출 길이(L)를 λ/8(m) 이하로 한 샘플(샘플 2, 3)은 더욱 뛰어난 착화성을 실현할 수 있는 것을 알았다. 이것은 돌출 길이(L)를 λ/8 이하로 함으로써, 전극에서의 전자파의 방사가 효과적으로 억제되어 불꽃에 투입되는 에너지가 증대하였기 때문이라고 생각할 수 있다.
이상의 시험결과로 인해, 착화성 향상을 도모하기 위하여, 전극을 공통의 전송로로서 방전용 전원에서의 전압과 교류 전원에서의 교류 전력을 불꽃 방전 간극에 대해서 공급하도록 구성하는 것이 바람직하다고 말할 수 있다. 또한, 착화성 향상을 더욱 도모하기 위한 관점에서는 전극의 돌출 길이(L)를 λ/8(m) 이하로 하는 것이 보다 바람직하다고 말할 수 있다.
이어서, 교류 전원의 출력 전류를 변경함으로써, 불꽃에 투입되는 교류 전력의 평균치(평균 전력)를 변경 가능하도록 한 점화 시스템의 샘플에 대해서, 내구성 평가시험 및 실화율 측정 시험을 실시하였다.
내구성 평가시험의 개요는 다음과 같다. 즉, 각 샘플의 점화 플러그를 소정의 챔버에 부착한 다음, 챔버 내의 압력을 0.4㎫로 설정하고, 인가 전압의 주파수를 15㎐로 하여서(즉, 매분 900회의 비율로) 플라스마를 발생시켰다. 그리고, 40시간 경과 후에, 시험 후에 있어서의 불꽃 방전 간극의 크기를 측정하여서, 시험 전에 있어서의 불꽃 방전 간극의 크기에 대한 증가량(간극 증가량)을 산출하였다. 여기서, 간극 증가량이 0.1㎜ 이하가 된 샘플은 전극의 소모량이 매우 적으며, 방전 전압의 상승을 지극히 효과적으로 억제할 수 있다고 해서 “◎”의 평가를 내리고, 간극 증가량이 0.1㎜ 초과 0.2㎜ 이하가 된 샘플은 전극의 소모량이 적으며, 방전 전압의 상승을 효과적으로 억제할 수 있다고 해서 “○”의 평가를 내리는 것으로 하였다. 한편, 간극 증가량이 0.2㎜ 초과 0.3㎜ 이하가 된 샘플은 전극의 소모량이 다소 많으며, 방전 전압이 다소 상승하기 쉽다고 해서 “△”의 평가를 내리는 것으로 하였다.
또한, 실화율 측정 시험의 개요는 다음과 같다. 즉, 각 샘플의 점화 플러그를 배기량 2000㏄, 4 기통 DOHC 엔진에 부착한 다음, 공연비(A/F)를 24로 설정하였다. 그리고, 전압을 인가하여서 불꽃을 발생시킴과 아울러, 불꽃에 대해서 교류 전력을 투입하는 것을 1000회 실시하여서, 혼합기에 대한 착화에 실패한 회수(실화(失火)수)를 측정함과 아울러, 1000회에 있어서의 실화수의 비율(실화율)을 산출하였다. 여기서, 실화율이 0.0%가 된 샘플은 매우 안정되며 혼합기에 대한 착화를 실시할 수 있다고 해서 “◎”의 평가를 내리고, 실화율이 0.1% 이상 0.9% 이하가 된 샘플은 충분히 안정되며 혼합기에 대한 착화를 실시할 수 있다고 해서 “○”의 평가를 내리는 것으로 하였다. 한편, 실화율이 1.0% 이상이 된 샘플은 착화의 안정성에 다소 뒤떨어진다고 해서 “△”의 평가를 내리는 것으로 하였다.
표 2에 있어서, 내구성 평가시험, 및 실화율 측정 시험의 시험결과를 나타낸다. 또한, 양 시험에 있어서는 각 샘플 모두, 교류 전력의 발진 주파수를 13.56㎒로 하고, 1회의 불꽃 방전에 대한 교류 전력의 투입시간을 2㎳로 하였다. 또한, 전극의 선단부(중심전극)를 Ni합금에 의해 구성함과 아울러, 전극의 선단부의 외경을 2.5㎜로 하고, 간극의 크기를 0.8㎜로 하였다. 또한, 표 2에 있어서, 평균 전력이 0W라고 되어 있는 것은 교류 전력을 투입하는 일 없이 불꽃만을 발생시킨 것을 나타낸다.
평균 전력(W) 0 30 50 250 500 600
내구성 평가 ◎ ○ ○ ○ ○ △
실화율 평가 △ ○ ◎ ◎ ◎ ◎
표 2에 나타낸 바와 같이, 평균 전력을 50W 이상 500W 이하로 함으로써, 방전 전압의 상승을 효과적으로 억제하면서, 혼합기에 대한 착화를 지극히 안정적으로 실시할 수 있는 것이 분명해졌다.
이상의 시험결과로 인해, 장기간에 걸친 착화를 가능하게 하면서, 뛰어난 착화 안정성을 실현한다는 관점에서, 불꽃에 투입되는 교류 전력의 평균치(평균 전력)를 50W 이상 500W 이하로 하는 것이 바람직하다고 말할 수 있다.
이어서, 불꽃 방전 간극의 크기(G)를 여러 가지로 변경한 점화 플러그의 샘플을 복수 제작하여서, 각 샘플에 대하여 상기 착화성 평가시험을 실시하였다. 단, 교류 전력의 발진 주파수를 13.56㎒로 변경함과 아울러, 1회의 불꽃 방전에 대한 교류 전력의 투입시간을 2㎳로 하고, 평균 전력을 300W로 하였다. 또한, 불꽃 방전 간극의 크기(G)를 1.0㎜로 한 샘플의 플라스마 면적을 기준으로서 각 샘플의 면적비를 산출하였다. 도 6에 있어서, 해당 시험의 시험결과를 나타낸다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 불꽃 방전 간극의 크기(G)를 1.5㎜로 한 샘플은 다른 샘플과 비교해서, 착화성이 다소 뒤떨어지는 것을 알았다. 이것은 발생한 불꽃의 방전 저항이 비교적 큰 것이 되어서, 불꽃에 대해서 교류 전력이 흘러 들기 어려워졌기 때문이라고 생각할 수 있다.
이것에 대해서, 불꽃 방전 간극의 크기(G)를 1.3㎜ 이하로 한 샘플은 뛰어난 착화성을 가지는 것이 분명해졌다. 그리고 특히, 불꽃 방전 간극의 크기(G)를 0.8㎜ 이상 1.3㎜ 이하로 한 샘플은 보다 뛰어난 착화성을 가지는 것이 확인되었다.
이상의 시험결과로 인해, 착화성 향상을 더욱 도모하기 위하여, 불꽃 방전 간극의 크기(G)를 1.3㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다고 말할 수 있다. 또한, 착화성을 더욱 향상시키기 위해서는 불꽃 방전 간극의 크기(G)를 0.8㎜ 이상 1.3㎜ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다고 말할 수 있다.
이어서, 절연애자의 선단에 대한 전극의 선단의 돌출 길이를 변경함으로써, 불꽃 방전 간극의 중심에서 절연애자까지의 최단 거리(X)를 0.5㎜, 1㎜, 또는 1.5㎜로 한 점화 플러그의 샘플을 제작하여서, 각 샘플에 대하여 상기 내구성 평가시험을 실시하였을 때에 있어서의 절연애자의 표면의 오손(汚損) 상태에 대하여 확인하였다. 여기서, 40시간 경과 후에, 절연애자에 이상이 발생하지 않았던 샘플은 “○”의 평가를 내리는 것으로 하고, 한편, 절연애자의 표면에 카본 등의 이물이 부착되어 있던 샘플은 “△”의 평가를 내리는 것으로 하였다. 표 3에 있어서, 해당 시험의 시험결과를 나타낸다. 또한, 해당 시험에 있어서는 교류 전력의 발진 주파수나 전극의 사이즈 등을 상기 내구성 평가시험에 있어서의 발진 주파수나 전극의 사이즈 등과 동일한 것으로 하였다.
최단 거리(X)(㎜) 0.5 1 1.5
오손성 평가 △ ○ ○
표 3에 나타낸 바와 같이, 최단 거리(X)를 0.5㎜로 한 샘플은 절연애자의 표면에 대한 이물의 부착이 확인되었다. 이것은 발생한 플라스마가 절연애자에 접촉하기 쉬워져서, 절연애자의 표면이 보다 고온이 되었기 때문이라고 생각할 수 있다.
이것에 대해서, 최단 거리(X)를 1㎜ 이상으로 한 샘플은 40시간 경과 후에도 절연애자에 이상이 발생하지 않으며, 이물의 부착을 효과적으로 억제할 수 있는 것을 알았다.
이상의 시험결과로 인해, 이물의 부착 방지를 도모하기 위하여, 최단 거리(X)를 1㎜ 이상으로 하는 것, 환언하면, 불꽃 방전 간극의 중심에서 1㎜의 범위 내에 절연애자가 존재하지 않도록 구성하는 것이 바람직하다고 말할 수 있다.
《제 2 실시형태》
이어서, 제 2 실시형태에 대해서 설명한다. 본 제 2 실시형태에 있어서는 특히 점화 플러그(1)의 구성이 상기 제 1 실시형태와 다르기 때문에, 점화 플러그(1)의 구성을 설명한다.
도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 있어서는 전극(8), 접지전극(27) 및 절연애자(2)에 있어서의 불꽃 방전 간극(28)의 중심(CP)으로부터 반경 2.5㎜의 범위 내에 위치하는 부위의 합계 체적이 20㎣ 이하로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는 불꽃 방전 간극(28)의 크기(후술하는 선분(LS)의 길이)가 비교적 크게(예를 들면, 0.5㎜ 이상으로) 되어 있으며, 상기 중심(CP)으로부터 전극(8)이나 접지전극(27)이 비교적 이간되도록 구성되어 있다. 또한, 금속 쉘(3)의 선단에서 불꽃 방전 간극(28)의 중심(CP)까지의 최단 거리가 2.5㎜ 이상으로 되어 있으며, 상기 범위 내에 금속 쉘(3)이 존재하지 않도록 구성되어 있다.
또한, 전극(8)과 접지전극(27) 사이를 연결하며, 불꽃 방전 간극(28)의 최단 거리를 형성하는 선분(LS)이 연장되는 방향을 따라서, 상기 선분(LS)과 직교하는 면(面)에, 접지전극(27)과 불꽃 방전 간극(28)의 중심(CP)을 투영하였을 때의 투영면(PS)(도 9 참조)에 있어서, 접지전극(27)의 투영영역(27X)에 있어서, 불꽃 방전 간극(28)의 중심(CP)의 투영점(PP)으로부터 반경 2㎜의 범위 내에 위치하는 영역(도 9에 있어서, 쇄선으로 나타낸 부위)의 면적이 7.6㎟ 이하로 되어 있다.
또한, 도 10(a),(b)에 나타낸 바와 같이, 전극(8){중심전극(5)}의 선단부의 외경(D)이 3.0㎜ 이하로 비교적 소경화(小經化)되어 있다. 또한, 전극(8)의 내소모성을 확보하기 위해서는 상기 외경(D)을 0.5㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 접지전극(27)에 있어서, 축선(CL1)방향에 있어서 불꽃 방전 간극(28)에 대응하는 간극 대응부(27A)의 최소폭(WMIN)이 3.0㎜ 이하로 되어 있다. 또한, 축선(CL1)을 따르는 금속 쉘(3)의 선단에 대한 접지전극(27)의 돌출 길이(GL)가 10㎜ 이하로 되어 있다.
또한, 본 실시형태에서는 도 11에 나타낸 바와 같이, 축선(CL1)방향 선단측에서 보았을 때, 전극(8)의 선단면 외주에 있어서 접지전극(27)의 기단으로부터 가장 이간된 부위(BP)와 접지전극(27)의 선단과의 사이에 있어서 접지전극(27)이 연장되는 방향을 따르는 거리(KL)에 대해서, 상기 부위(BP)를 기준으로서 접지전극(27)의 기단측을 마이너스측으로 하였을 때, 거리(KL)가 마이너스가 되도록 설정되어 있다. 이것에 의해, 축선(CL1)방향 선단측에서 보았을 때, 전극(8)의 선단면의 적어도 일부가 시인(視認) 가능하도록 되어 있다. 또한, 거리(KL)를 0 또는 플러스로 하였을 경우에는 예를 들면, 접지전극(27)에 있어서 전극(8)의 선단부 상에 위치하는 부위의 폭을 전극(8)의 선단부의 외경(D)보다도 작게 함으로써, 축선(CL1)방향 선단측에서 보았을 때, 전극(8)의 선단면의 적어도 일부를 시인 가능하게 할 수 있다.
이상 상술한 것처럼, 본 실시형태에 의하면, 불꽃 방전 간극(28)의 중심(CP)으로부터 반경 2.5㎜의 범위라고 하는 매우 넓은 범위에 있어서, 전극(8), 접지전극(27) 및 절연애자(2)의 합계 체적이 20㎣ 이하로 되어 있다. 즉, 플라스마가 발생할 수 있는 범위 내에 있어서, 전극(8)이나 접지전극(27) 등의 합계 체적이 충분히 작은 것으로 되어 있다. 따라서, 교류 전력의 투입 직후에 있어서, 전극(8)이나 접지전극(27) 등에 극력히 저해되는 일 없이 보다 큰 플라스마를 발생시킬 수 있다. 그 결과, 착화성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 투영면(PS)에 있어서, 불꽃 방전 간극(28)의 중심(CP)의 투영점(PP)으로부터 반경 2㎜의 범위 내에 위치하는 접지전극(27)의 투영영역(27X)의 면적이 7.6㎟ 이하로 되어 있다. 이 때문에, 접지전극(27)에 의한 플라스마의 성장 저해를 보다 확실히 억제할 수 있으므로 보다 더 큰 플라스마를 발생시킬 수 있다.
또한, 접지전극(27)에 있어서 불꽃 방전 간극(28)에 대응하는 간극 대응부(27A)의 최소폭(WMIN)이 3.0㎜ 이하로 되어 있으며, 불꽃 방전 간극(28)에 대해서 기류를 흘러 들기 쉽게 할 수 있다. 그 결과, 기류에 실어서 플라스마를 보다 크게 성장시킬 수 있으므로 착화성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 축선(CL1)방향 선단측에서 보았을 때, 전극(8)의 선단면의 적어도 일부가 시인 가능하게 구성되어 있기 때문에, 연소실의 중심측을 향하여 플라스마를 보다 확산되기 쉽게 할 수 있다. 그 결과, 착화성을 보다 더 향상시킬 수 있다.
아울러, 전극(8)의 선단부의 외경(D)이 3.0㎜ 이하로 되어 있기 때문에, 전극(8)의 선단부에 의한 플라스마의 성장 저해를 효과적으로 억제할 수 있으므로 착화성 향상을 더욱 도모할 수 있다.
또한, 접지전극(27)의 돌출 길이(GL)가 10㎜ 이하로 되어 있으며, 접지전극(27)의 선단부에서 금속 쉘(3)까지의 열전도 경로가 짧아지도록 구성되어 있다. 그 결과, 접지전극(27)의 열을 금속 쉘(3)측으로 보다 원활하게 전도할 수 있으므로, 접지전극(27)의 내소모성을 보다 더 향상시킬 수 있다.
이어서, 상기 제 2실시형태에 의해서 가지는 작용효과를 확인하기 위하여, 전극의 선단부의 외경(D)이나, 불꽃 방전 간극의 크기(간극 길이), 거리(KL)를 변경함으로써, 전극, 접지전극 및 절연애자에 있어서 불꽃 방전 간극의 중심으로부터 반경 2.5㎜의 범위 내에 위치하는 부위의 합계 체적을 여러 가지로 변경한 점화 플러그의 샘플을 제작하여서, 각 샘플에 대하여 착화성 평가시험을 실시하였다. 착화성 평가시험의 개요는 다음과 같다. 즉, 각 샘플을 소정의 챔버에 부착한 다음, 발진 주파수를 13㎒, 출력 전력(투입되는 전력량의 1초 당 평균치)을 300W로 한 교류 전원으로부터 샘플에 대해서 1㎳ 동안 전력을 투입함으로써 플라스마를 발생시켰다. 그리고, 샘플의 측면측으로부터 발생한 플라스마를 촬상하여서, 촬상 화상으로부터 플라스마의 크기(플라스마 면적)를 측정함과 아울러, 상기 합계 체적을 23㎣로 한 샘플의 플라스마 면적에 대한, 각 샘플의 플라스마 면적의 비율(면적비)을 산출하였다. 도 12에 있어서, 합계 체적과 면적비와의 관계를 나타내는 그래프를 나타낸다. 또한, 표 4에 있어서, 각 샘플에 있어서의, 외경(D)이나 간극 길이, 거리(KL)를 나타낸다.
합계 체적(㎣) 외경(D)(㎜) 간극 길이(㎜) 거리(KL)(㎜)
14 0.6 0.8 0.6
16 2.5 1.3 -1.0
18 2.5 1.3 -0.5
19 2.5 0.8 -1.0
20 2.5 1.3 0
21 2.5 0.8 -0.5
23 2.5 0.8 0
도 12에 나타낸 바와 같이, 합계 체적을 20㎣ 이하로 함으로써, 면적비가 급격하게 증대되며, 착화성을 비약적으로 향상할 수 있는 것이 분명해졌다. 이것은 플라스마의 발생 영역에 대응하는 광범위 내에 있어서 전극 등의 볼륨을 작게 함으로써, 전극 등에 저해되는 일 없이 보다 큰 플라스마를 발생시킬 수 있었기 때문이라고 생각할 수 있다.
이상의 시험결과로 인해, 플라스마를 발생시키는 점화 플러그에 있어서는 전극, 접지전극 및 절연애자에 있어서, 불꽃 방전 간극의 중심으로부터 반경 2.5㎜의 범위 내에 위치하는 부위의 합계 체적을 20㎣ 이하로 함으로써, 착화성을 비약적으로 향상할 수 있다고 말할 수 있다.
이어서, 접지전극의 폭이나 거리(KL)를 변경함으로써, 상기 투영면에 있어서의, 불꽃 방전 간극의 중심의 투영점으로부터 반경 2㎜의 범위 내에 위치하는 접지전극의 투영영역의 면적(투영 면적)을 여러 가지로 변경한 점화 플러그의 샘플을 제작하여서, 각 샘플에 대하여 상기 착화성 평가시험을 실시하였다. 도 13에 있어서, 투영 면적과 면적비와의 관계를 나타내는 그래프를 나타낸다. 또한, 면적비는 투영 면적을 9.1㎟로 한 샘플을 기준으로서 산출하였다. 또한, 각 샘플 모두, 합계 체적을 20㎣ 이하로 함과 아울러, 전극의 선단부의 외경(D)을 2.5㎜로 하고, 간극 길이를 1.3㎜로 하였다. 또한, 표 5에 있어서, 각 샘플에 있어서의, 접지전극의 폭 및 거리(KL)를 나타낸다.
투영 면적(㎟) 접지전극의 폭(㎜) 거리(KL)(㎜)
6.1 3.0 -1.0
7.5 2.7 -0.3
7.6 3.0 -0.5
8.3 2.7 0.0
9.1 3.0 0.0
도 13에 나타낸 바와 같이, 투영 면적을 7.6㎟ 이하로 한 샘플은 특별히 뛰어난 착화성을 가지는 것을 알았다. 이것은 투영 면적을 비교적 작게 함으로써, 전력의 투입 직후에 있어서, 접지전극에 저해되는 일 없이 더욱 큰 플라스마를 생성할 수 있었던 것에 기인한다고 생각할 수 있다.
상기 시험결과로 인해, 착화성 향상을 더욱 도모하기 위하여, 투영 면적을 7.6㎟ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다고 말할 수 있다.
이어서, 간극 대응부의 최소폭(WMIN)을 여러 가지로 변경한 점화 플러그의 샘플을 제작하여서, 각 샘플에 대하여 착화성 평가시험을 실시하였다. 도 14에 있어서, 최소폭(WMIN)과 면적비와의 관계를 나타내는 그래프를 나타낸다. 또한, 면적비는 최소폭(WMIN)을 3.2㎜로 한 샘플을 기준으로서 산출하였다. 또한, 각 샘플 모두, 합계 체적을 20㎣ 이하로 함과 아울러, 전극의 선단부의 외경(D)을 2.5㎜, 간극 길이를 1.3㎜, 거리(KL)를 -0.5㎜로 하였다. 또한, 이 시험은 간극 대응부의 배면측으로부터 불꽃 방전 간극을 향해서 유속 4㎧~6㎧의 에어를 분사한 상태로 실시하였다. 또한, 각 샘플 모두, 자신의 길이 방향을 따라서 접지전극이 동일한 폭을 가지도록 구성했다(이하의 시험에 있어서도 마찬가지).
도 14에 나타낸 바와 같이, 간극 대응부의 최소폭(WMIN)을 3.0㎜ 이하로 한 샘플은 착화성에 더욱 뛰어난 것이 분명해졌다. 이것은 불꽃 방전 간극에 에어가 유입되기 쉬워졌기 때문에, 플라스마가 에어에 흘러가는 형태로 보다 크게 성장했기 때문이라고 생각할 수 있다.
상기 시험결과로 인해, 착화성을 보다 더 향상시키기 위해서는 간극 대응부의 최소폭(WMIN)을 3.0㎜ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다고 말할 수 있다.
이어서, 전극의 선단부의 외경(D)을 여러 가지로 변경한 점화 플러그의 샘플을 제작하여서, 각 샘플에 대하여 착화성 평가시험을 실시하였다. 표 6에 있어서, 해당 시험의 시험결과를 나타낸다. 또한, 면적비는 외경(D)을 1.0㎜로 소경화한, 착화성에 지극히 뛰어난 샘플을 기준으로서 산출하였다. 또한, 면적비가 0.7 이상 1.0 이하가 된 샘플은 충분히 뛰어난 착화성을 가진다고 해서 “◎”의 평가를 내리는 것으로 하고, 면적비가 0.5 이상 0.7 미만이 된 샘플은 다른 샘플과 비교하여 다소 착화성에 뒤떨어지지만, 뛰어난 착화성을 가진다고 해서 “○”의 평가를 내리는 것으로 하였다. 또한, 각 샘플 모두, 간극 길이를 0.8㎜, 접지전극의 폭을 1.0㎜로 하고, 전극의 선단부를 백금 합금에 의해 구성하였다. 또한, 합계 체적을 20㎣ 이하로 하고, 샘플에 대한 전력의 투입시간을 2.0㎳로 하였다.
외경(D)(㎜) 1.0 2.0 3.0 3.5
착화성 평가 ◎ ◎ ◎ ○
표 6에 나타낸 바와 같이, 각 샘플 모두 뛰어난 착화성을 가지고 있었지만, 외경(D)을 3.0㎜ 이하로 한 샘플은 특히 착화성이 뛰어난 것이 분명해졌다. 이것은 전극의 선단부를 비교적 소경으로 함으로써, 전극에 저해되는 일 없이 보다 큰 플라스마가 생성되었기 때문이라고 생각할 수 있다.
상기 시험결과로 인해, 착화성을 더욱 향상시키기 위해서는 전극의 선단부의 외경(D)을 3.0㎜ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다고 말할 수 있다.
이어서, 간극 대응부의 최소폭(WMIN)을 여러 가지로 변경한 점화 플러그의 샘플을 복수 제작하여서, 각 샘플에 대하여 내구성 평가시험을 실시하였다. 내구성 평가시험의 개요는 다음과 같다. 즉, 최소폭(WMIN)을 2.0㎜로 한 샘플에 있어서 접지전극의 선단부의 온도가 800℃가 되는 조건으로 각 샘플의 접지전극을 가열하고, 가열 시에 있어서의 접지전극의 선단부의 온도를 측정하였다. 여기서, 접지전극의 선단부의 온도가 800℃ 이상 900℃ 이하가 된 샘플은 접지전극의 열을 충분히 전도시킬 수 있으므로 충분히 뛰어난 내구성을 가진다고 해서 “◎”의 평가를 내리고, 한편, 상기 선단부의 온도가 900℃ 초과 1000℃ 이하가 된 샘플은 다른 샘플보다도 다소 고온이 되기 쉽기는 하지만, 뛰어난 내구성을 가진다고 해서 “○”의 평가를 내리는 것으로 하였다. 표 7에 있어서, 해당 시험의 시험결과를 나타낸다.
최소폭(WMIN)(㎜) 0.8 1.0 2.0
내구성 평가 ○ ◎ ◎
표 7에 나타낸 바와 같이, 최소폭(WMIN)을 1.0㎜ 이상으로 한 샘플은 특히 내구성이 뛰어난 것이 분명해졌다. 이것은 접지전극의 단면적이 충분히 확보됨으로써 금속 쉘측으로 보다 원활하게 접지전극의 열이 전도되었기 때문이라고 생각할 수 있다.
이어서, 금속 쉘의 선단에 대한 접지전극의 돌출 길이(GL)를 여러 가지로 변경한 점화 플러그의 샘플을 복수 제작하여서, 각 샘플에 대하여 상기 내구성 평가시험을 실시하였다. 또한, 이 시험에서는 돌출 길이(GL)를 7㎜로 한 샘플에 있어서 접지전극의 선단부의 온도가 800℃가 되는 조건으로 각 샘플의 접지전극을 가열하였다. 표 8에 있어서, 해당 시험의 시험결과를 나타낸다. 또한, 각 샘플 모두, 접지전극의 폭을 1.0㎜로 하였다.
돌출 길이(GL)(㎜) 7 9 10 11
내구성 평가 ◎ ◎ ◎ ○
표 8에 나타낸 바와 같이, 돌출 길이(GL)를 10㎜ 이하로 한 샘플은 내구성에 보다 뛰어난 것이 분명해졌다. 이것은 돌출 길이(GL)를 비교적 작은 것으로 함으로써, 접지전극의 선단부에서 금속 쉘까지의 열전도 경로가 짧게 되며, 그 결과, 접지전극의 열을 금속 쉘측으로 보다 원활하게 전도할 수 있던 것에 기인한다고 생각할 수 있다.
이어서, 전극의 선단부의 외경(D)을 여러 가지로 변경한 점화 플러그의 샘플을 복수 제작하여서, 각 샘플에 대하여 내소모성 평가시험을 실시하였다. 내소모성 평가시험의 개요는 다음과 같다. 즉, 각 샘플을 소정의 챔버에 부착한 다음, 챔버 내의 압력을 0.4㎫로 설정하고, 인가 전압의 주파수를 15㎐로서(즉, 매분 900회의 비율로) 플라스마를 발생시켰다. 그리고, 40시간 경과 후, 시험 후에 있어서의 불꽃 방전 간극의 크기를 측정함으로써, 시험 전에 있어서의 불꽃 방전 간극의 크기에 대한 증가량(간극 증가량)을 산출하였다. 여기서, 간극 증가량이 0.2㎜ 이하가 된 샘플은 전극의 소모량이 매우 적고, 방전 전압의 상승을 효과적으로 억제할 수 있다고 해서 “◎”의 평가를 내리고, 간극 증가량이 0.2㎜ 초과 0.3㎜ 이하가 된 샘플은 방전 전압의 상승을 충분히 억제할 수 있다고 해서 “○”의 평가를 내리는 것으로 하였다. 표 9에 있어서, 해당 시험의 시험결과를 나타낸다. 또한, 각 샘플 모두, 간극 길이를 0.8㎜, 접지전극의 폭을 1.0㎜로 하고, 전극의 선단부를 백금 합금에 의해 구성하였다. 또한, 합계 체적을 20㎣ 이하로 하고, 샘플에 대한 전력의 투입시간을 2.0㎳로 하였다.
외경(D)(㎜) 0.4 0.5 1.0
내소모성 평가 ○ ◎ ◎
표 9에 나타낸 바와 같이, 외경(D)을 0.5㎜ 이상으로 함으로써, 사용에 따르는 전극의 소모가 억제되어서, 방전 전압의 상승 억제, 나아가서는 플라스마 생성 가능 기간의 장기화가 도모된 것을 알았다.
이상, 내구성 평가시험 및 내소모성 평가시험의 시험결과로 인해, 전극이나 접지전극의 내구성을 향상시키며, 보다 장기간에 걸친 플라스마 생성을 가능하게 하기 위하여, 접지전극의 최소폭(WMIN)을 1.0㎜ 이상으로 하거나, 접지전극의 돌출 길이(GL)를 10㎜ 이하로 하거나, 전극의 선단부의 외경(D)을 0.5㎜ 이상으로 하거나 하는 것이 바람직하다고 말할 수 있다.
또한, 상기 실시형태의 기재 내용으로 한정되지 않고, 예를 들면 다음과 같이 실시하여도 좋다. 물론, 이하에 있어서 예시하지 않은 다른 응용예, 변경예도 당연 가능하다.
(a) 상기 제 2실시형태에서는 접지전극(27)은 동일한 폭을 가지도록 구성되어 있지만, 도 15에 나타낸 바와 같이, 접지전극(27)의 기단부의 단면적을 어느 정도 확보하면서, 접지전극(27)의 선단부(전극(8)의 선단부와 대향하는 부위)를 좁은 폭으로 구성하는 것으로 하여도 좋다. 이 경우에는 접지전극(27)의 접합 강도를 저하시키는 일 없이 상기 합계 체적을 보다 감소시킬 수 있으며, 보다 큰 플라스마를 생성할 수 있다.
또한, 도 16(a),(b)에 나타낸 바와 같이, 접지전극(27)의 선단부에 더하여, 간극 대응부(27A)를 좁은 폭으로 구성하는 것으로 하여도 좋다. 이 경우에는 불꽃 방전 간극(28)에 대한 기체의 유입이 촉진되어 착화성 향상을 더욱 도모할 수 있다.
(b) 상기 실시형태에 있어서의 점화 플러그(1)는 전극(8)의 선단면이 접지전극(27)과 대향하도록 구성되어 있지만, 점화 플러그(1)의 구성은 이것으로 한정되는 것은 아니다. 따라서, 예를 들면, 도 17(a),(b)에 나타낸 바와 같이, 전극(8){중심전극(5)}의 선단부 외주와, 접지전극(27)의 선단면이 대향하도록 구성하는 것으로 하여도 좋다. 이 경우에는 축선(CL1)방향 선단측(연소실의 중심측)으로 플라스마가 성장하기 쉬워지기 때문에, 착화성을 더욱 향상시킬 수 있다.
(c) 상기 실시형태에서는 중심전극(5) 및 접지전극(27) 사이에 불꽃 방전 간극(28)이 형성되어 있지만, 도 18(a)~(c)에 나타낸 바와 같이, 양 전극(5,27)의 적어도 일방에 귀금속 합금(예를 들면, 백금 합금이나 이리듐 합금 등)으로 이루어지는 귀금속 팁(51,52)를 형성하여서, 일측의 전극(5(27))에 형성된 귀금속 팁(51(52))과 타측의 전극(27(5)) 사이, 또는 양 전극(5,27)에 형성된 양 귀금속 팁(51,52) 사이에 불꽃 방전 간극(28)을 형성하는 것으로 하여도 좋다. 이 경우에는 상기 합계 체적을 더욱 감소시킬 수 있으므로 착화성 향상을 더욱 도모할 수 있다.
또한, 접지전극(27)에 귀금속 팁을 형성함에 있어서, 도 19(a)~(c)에 나타낸 바와 같이, 접지전극(27)의 선단면으로부터 돌출하도록 하여서 귀금속 팁(53,54,55)을 접합하는 것으로 하여도 좋다. 이 경우에는 불꽃 방전 간극(56,57,58)의 중심(CP)에서 접지전극(27)이 보다 멀어지게 되며, 상기 합계 체적을 보다 더 작은 것으로 할 수 있다. 또한, 연소실의 중심측을 향하여 플라스마가 보다 확산되기 쉬워진다. 그 결과, 생성되는 플라스마를 매우 큰 것으로 할 수 있으므로 착화성을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있다.
(d) 상기 실시형태에서는 축선(CL1)방향 선단측에서 보았을 때, 전극(8)의 선단면의 일부가 접지전극(27)으로 덮인 상태가 되어 있지만, 도 20(a),(b)에 나타낸 바와 같이, 접지전극(27)의 선단부에 구멍부분(27H)를 형성하거나, 도 21(a),(b)에 나타낸 바와 같이, 접지전극(27)의 선단부에 ‘Y’자 형상의 분기부(27B)를 형성함으로써, 축선(CL1)방향 선단측에서 보았을 때, 전극(8)의 선단면이 접지전극(27)으로 덮이는 일 없이 전극(8)의 선단면 전 영역을 시인 가능하게 구성하는 것으로 하여도 좋다. 이 경우에는 플라스마가 연소실의 중심측을 향하여 보다 크게 확산되게 되며, 착화성 향상을 더욱 도모할 수 있다. 또한, 도 22에 나타낸 바와 같이, 접지전극(27)의 구멍부분(27H) 내에, 전극(59)의 선단부를 삽입하여서, 구멍부분(27H)의 내주면과 전극(59)의 외주면 사이에 불꽃 방전 간극(60)을 형성하도록 구성하는 것으로 하여도 좋다.
(e) 상기 실시형태에서는 공구 걸어맞춤부(19)는 단면 육각 형상으로 되어 있지만, 공구 걸어맞춤부(19)의 형상에 관해서는 이와 같은 형상으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, Bi-HEX(변형 12각) 형상〔ISO22977：2005(E)〕 등으로 되어 있어도 좋다.
(f) 상기 실시형태에서는 방전용 전원(32)이나, 교류 전원(33)에서의 전력이 배전기를 통하여 각 점화 플러그(1)에 공급되어 있지만, 각 점화 플러그(1)마다 방전용 전원(32)이나 교류 전원(33)을 형성하는 것으로 하여도 좋다.
1 - 점화 플러그 2 - 절연애자(절연체)
3 - 금속 쉘 4 - 축구멍
8 - 전극 27 - 접지전극
27A - 간극 대응부 28 - 간극(불꽃 방전 간극)
31 - 점화 시스템 32 - 방전용 전원
33 - 교류 전원 CL1 - 축선

Claims (14)

  1. 점화 플러그와;
    상기 점화 플러그에 불꽃 방전을 발생시키기 위한 전압을 인가하는 방전용 전원과;
    상기 불꽃 방전에 의해 발생한 불꽃에 교류 전력을 공급하는 교류 전원;을 구비하는 점화 시스템으로서,
    상기 점화 플러그는,
    축선방향으로 연장되는 축구멍을 가지는 절연체와;
    상기 축구멍 내에 설치되며, 선단이 상기 절연체의 선단보다도 상기 축선방향 선단측에 위치하는 전극과;
    상기 절연체의 외주에 배치되는 금속 쉘과;
    상기 금속 쉘의 선단부에 고정되며, 상기 전극의 선단부와의 사이에 간극을 형성하는 접지전극;을 구비하며,
    상기 방전용 전원에서의 전압과 상기 교류 전원에서의 교류 전력이 상기 전극을 통하여 상기 간극에 공급되며, 상기 방전용 전원에서의 전압에 의해 상기 간극에서 발생한 불꽃에, 상기 교류 전원에서의 교류 전력이 투입되고,
    1회의 불꽃 방전에서, 불꽃에 투입되는 교류 전력의 평균치를 500W 이하로 하고, 상기 교류 전력의 발진 주파수를 100㎒ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 점화 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 교류 전력의 파장을 λ(m)라고 하였을 때,
    상기 축선을 따르는, 상기 금속 쉘의 선단에서부터의 상기 전극의 선단의 돌출 길이를 λ/8(m) 이하로 한 것을 특징으로 하는 점화 시스템.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 간극의 크기를 1.3㎜ 이하로 한 것을 특징으로 하는 점화 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 간극의 중심으로부터 반경 1㎜ 이내의 범위에, 상기 절연체가 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 점화 시스템.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 점화 플러그에 있어서의 상기 금속 쉘의 선단보다도 상기 축선방향 선단측에 위치하는 부위가 가지는 정전 용량을 상기 점화 플러그 전체가 가지는 정전 용량의 1/100 이하로 한 것을 특징으로 하는 점화 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극, 상기 접지전극 및 상기 절연체에 있어서의 상기 간극의 중심으로부터 반경 2.5㎜의 범위 내에 위치하는 부위의 합계 체적을 20㎣ 이하로 한 것을 특징으로 하는 점화 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 전극과 상기 접지전극 사이를 연결하며, 상기 간극의 최단 거리를 형성하는 선분이 연장되는 방향을 따라서, 상기 선분과 직교하는 면(面)에, 상기 접지전극과 상기 간극의 중심을 투영하였을 때의 투영면에 있어서,
    상기 간극의 중심의 투영점으로부터 반경 2㎜의 범위 내에 위치하는 상기 접지전극의 투영영역의 면적이 7.6㎟ 이하로 되는 것을 특징으로 하는 점화 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 접지전극은 상기 축선방향에 있어서 상기 간극에 대응하는 간극 대응부를 가지며,
    상기 간극 대응부의 최소폭을 3.0㎜ 이하로 한 것을 특징으로 하는 점화 시스템.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 축선방향 선단측에서 보았을 때,
    상기 전극의 선단면의 적어도 일부가 시인(視認) 가능하게 구성되는 것을 특징으로 하는 점화 시스템.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 전극에 있어서의 적어도 선단부는 원기둥 형상을 이루며,
    상기 전극의 선단부의 외경을 3.0㎜ 이하로 한 것을 특징으로 하는 점화 시스템.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 축선을 따르는 상기 금속 쉘의 선단에 대한 상기 접지전극의 돌출 길이를 10㎜ 이하로 한 것을 특징으로 하는 점화 시스템.
  14. 삭제
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