KR20110110231A

KR20110110231A - 플라즈마 젯 점화 플러그

Info

Publication number: KR20110110231A
Application number: KR1020117017444A
Authority: KR
Inventors: 히로유키 가메다; 요시쿠니 사토; 다이스케 나카노; 나오후미 야마무라; 다이스케 가사하라
Original assignee: 니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2011-10-06
Also published as: US20110254429A1; CN102227855A; JP4948515B2; EP2381547A4; CN102227855B; WO2010073609A1; US8536770B2; EP2381547A1; JP2010153330A; KR101190480B1

Abstract

채널링의 진전을 억제하고 열전도가 우수한 플라즈마 젯 점화 플러그를 제공한다. 절연애자(10)의 소경부(15)에 있어서 축선(O)방향의 형상은 직선형상으로 되어 있다. 중심전극(20)의 외경이 최선단부(23), 제 2 단차부(24), 선단부(22), 동체부(21)의 순서로 커지도록 되어 있다.

Description

플라즈마 젯 점화 플러그 {PLASMA JET IGNITION PLUG}

본 발명은 플라즈마를 형성하여 혼합기에 대한 점화를 실시하는 내연기관용 플라즈마 젯 점화 플러그에 관한 것이다.

종래에 있어서, 자동차용 내연기관인 엔진의 점화 플러그에는 불꽃방전에 의해서 혼합기에 대한 착화를 실시하는 스파크 플러그가 사용되고 있다. 최근에는 내연기관의 고출력화나 저연비화(底燃費化)가 더욱 요구되고 있다. 이 때문에, 연소의 확산이 빠르고 착화 한계 공연비가 더 높은 희박 혼합기에 대해서 착화 가능한 플라즈마 젯 점화 플러그의 개발이 진행되고 있다.

플라즈마 젯 점화 플러그는 중심전극과 접지전극의 사이의 불꽃방전간극의 주위를 세라믹스 등의 절연애자로 둘러싸서 작은 용적의 방전공간{캐버티(cavity)}을 형성한 구조를 가지고 있다. 플라즈마 젯 점화 플러그의 점화방식의 일례를 설명하면, 혼합기에 대한 점화시에, 우선 중심전극과 접지전극의 사이에 고전압을 인가하여 불꽃방전을 한다. 이 때에 발생한 절연파괴에 의해서 중심전극과 접지전극의 사이에는 비교적 저전압으로 전류를 흘릴 수 있게 된다. 그래서, 중심전극과 접지전극의 사이에 전력을 공급함에 의해서 방전상태를 천이시켜 캐버티 내에서 플라즈마를 형성한다. 이와 같이 하여 형성된 플라즈마가 개구부(이른바 오리피스)를 통해서 분출되면, 혼합기에 대한 착화가 실시된다.

그런데, 종래에 있어서, 예를 들면 하기한 특허문헌 1에 기재된 플라즈마 젯 점화 플러그에서는 절연애자의 내벽을 단차형상으로 하여 캐버티 내에 스로트(throat)를 형성함으로써 50∼200mJ 정도의 에너지로 충분한 착화성을 얻도록 하고 있다. 또, 하기한 특허문헌 2에 기재된 플라즈마 젯 점화 플러그에서는 캐버티 내의 용적을 10㎣ 이하로 하고, 캐버티 내의 길이와 지름의 비율(길이/지름)을 2 이상으로 하고, 중심전극과 접지전극의 거리를 3㎜ 이하로 하여 플라즈마 분출 길이를 길게 함으로써 착화성의 향상을 도모하고 있다.

특허문헌 1 ： 일본국 특개 2007-287666호 공보 특허문헌 2 ： 일본국 특개 2006-294257호 공보

그러나, 상기한 특허문헌 1에 기재된 플라즈마 젯 점화 플러그에서는 절연애자의 내벽이 단차형상이기 때문에 채널링(channeling)(방전 등에 기인하여 생긴 홈)의 진전이 빨라지고, 계속해서 사용하면 착화성이 현저하게 저하된다는 문제가 있다.

또, 상기한 특허문헌 2에 기재된 플라즈마 젯 점화 플러그에서는 중심전극과 접지전극의 거리가 3㎜ 이하인 것을 고려하면, 중심전극의 지름(ø)이 1.5㎜ 이하로 되어 중심전극의 형상이 가늘고 길어지게 되기 때문에, 중심전극의 선단의 열전도(열이 저하되는 정도)가 나쁘고, 내구성이 낮다는 문제가 있다. 구체적으로는 중심전극의 선단의 열전도가 나쁘면, 선단이 깎여서 소모되기 쉬워짐과 아울러, 고온 상태인 채로 불꽃방전이 일어나면 선단이 산화되기 쉬워진다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하여, 채널링의 진전을 억제하고 열전도가 우수한 플라즈마 젯 점화 플러그를 제공하는 것에 있다.

본 발명은 상기한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 이하의 형태 또는 적용예로서 실현하는 것이 가능하다.

［적용예 1］

축선방향을 따르는 축구멍을 가지는 통형상의 절연부재와, 상기 절연부재의 축구멍(12) 내에 수용되는 봉형상의 중심전극과, 상기 절연부재의 선단에 배치되는 판형상의 접지전극을 구비하는 플라즈마 젯 점화 플러그에 있어서,

상기 중심전극은 동체부(胴體部)와, 상기 동체부의 외경보다도 작은 외경을 가짐과 아울러 상기 동체부보다도 선단측에 위치하는 선단부와, 상기 선단부의 외경보다도 작은 외경을 가짐과 아울러 상기 선단부보다도 선단측에 위치하는 최선단부를 가지며,

상기 절연부재에 있어서, 상기 축구멍을 형성하는 부분은 상기 중심전극의 동체부의 외경보다도 작은 내경을 가짐과 아울러 상기 중심전극의 적어도 상기 선단부를 수용하는 수용부와, 상기 중심전극의 선단부의 외경보다도 작고 상기 수용부의 내경보다도 작은 내경을 가짐과 아울러 상기 수용부보다도 선단측에 위치하여 상기 중심전극의 적어도 상기 최선단부가 배치되는 소경부(小徑部)를 가지며,

상기 중심전극의 선단은 상기 절연부재의 소경부 내에 있어서 상기 절연부재의 선단보다도 후측에 위치하여 상기 소경부의 내주(內周)와 함께 캐버티를 형성하고 있으며,

상기 접지전극은 상기 캐버티와 외기(外氣)를 연이어 통하게 하기 위한 개구부를 가지며,

상기 소경부의 상기 축선방향의 형상은 직선형상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.

［적용예 2］

적용예 1에 기재된 플라즈마 젯 점화 플러그에 있어서,

상기 절연부재에 있어서, 상기 축구멍을 형성하는 부분은 상기 수용부와 상기 소경부의 사이에 위치하는 제 1 단차부를 더 가지며,

상기 접지전극에 있어서, 상기 개구부의 내주의 지름이 상기 중심전극의 선단부의 외경보다도 작고 상기 소경부의 내경보다도 큰 경우에는, 상기 접지전극의 개구부의 내주에서 상기 축선방향을 따라서 제 1 직선을 그었을 경우에, 상기 제 1 직선과 상기 절연부재의 선단이 교차하는 제 1 교점과 상기 제 1 직선과 상기 절연부재의 제 1 단차부가 교차하는 제 2 교점의 사이의 거리를 a라 하고,

상기 접지전극에 있어서, 상기 개구부의 내주의 지름이 상기 중심전극의 선단부의 외경보다도 작고 상기 소경부의 내경보다도 작은 경우에는 상기 소경부의 내주의 상기 축선방향의 길이를 a라 하고,

상기 중심전극의 선단부의 외주(外周)에서 상기 축선방향을 따라서 제 2 직선을 그었을 경우에, 상기 제 2 직선과 상기 절연부재의 제 1 단차부가 교차하는 제 3 교점과 상기 제 2 직선과 상기 절연부재의 선단이 교차하는 제 4 교점의 사이의 거리를 b라 하고,

상기 접지전극과 상기 중심전극의 선단부를 상기 축선방향으로 투영하였을 경우에, 상기 접지전극과 상기 중심전극의 선단부와의 겹쳐진 면적을 c라 하였을 때, "0.2≤(2c)/(a＋b)≤4"의 관계인 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.

［적용예 3］

적용예 1 또는 적용예 2에 기재된 플라즈마 젯 점화 플러그에 있어서, 상기 접지전극에 있어서의 상기 개구부의 내경은 상기 절연부재에 있어서의 상기 소경부 선단의 내경에 대해서 75∼120%의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.

［적용예 4］

적용예 1 내지 적용예 3 중 임의의 하나에 기재된 플라즈마 젯 점화 플러그에 있어서, 상기 중심전극은 음극으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.

［적용예 5］

적용예 1 내지 적용예 4 중 임의의 하나에 기재된 플라즈마 젯 점화 플러그에 있어서, 상기 축선방향에 있어서, 상기 최선단부와 상기 소경부의 겹침량은 0.5∼3㎜인 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.

［적용예 6］

적용예 1 내지 적용예 5 중 임의의 하나에 기재된 플라즈마 젯 점화 플러그에 있어서, 상기 중심전극은 상기 선단부와 상기 최선단부의 사이에 위치하는 제 2 단차부를 더 가지며, 상기 제 1 단차부와 상기 수용부가 이루는 각도를 θ1이라 하고, 상기 제 2 단차부와 상기 선단부가 이루는 각도를 θ2라 하였을 때, "θ1＜θ2"인 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.

［적용예 7］

적용예 1 내지 적용예 6 중 임의의 하나에 기재된 플라즈마 젯 점화 플러그에 있어서, 상기 캐버티의 용적을 R이라 하고, 상기 캐버티의 상기 축선방향을 따르는 길이를 S라 하고, 상기 소경부의 내경을 N이라 하였을 때, 상기 용적(R)은 "R≤2.5㎣"이고, 또한 상기 길이(S)와 상기 내경(N)의 비율은 "S/N≥0.3"인 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.

［적용예 8］

적용예 1 내지 적용예 7 중 임의의 하나에 기재된 플라즈마 젯 점화 플러그에 있어서, 상기 제 1 단차부와 상기 제 2 단차부의 사이에 간극을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.

［적용예 9］

적용예 1 내지 적용예 8 중 임의의 하나에 기재된 플라즈마 젯 점화 플러그에 있어서, 상기 중심전극은 적어도 그 선단이 융점 2400℃ 이상의 순금속 또는 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.

［적용예 10］

적용예 9에 기재된 플라즈마 젯 점화 플러그에 있어서, 상기 중심전극은 적어도 그 선단이 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.

또한, 상기한 여러 가지 형태 또는 적용예는 적당하게 조합하거나 구성의 일부를 생략하는 것이 가능하다.

적용예 1의 플라즈마 젯 점화 플러그에서는 절연부재에 있어서의 소경부의 축선방향의 형상이 직선형상으로 되어 있다. 이것에 의해서, 캐버티 내에 있어서의 방전 경로가 직선이 되기 때문에, 방전 경로가 곡선 혹은 L자형인 경우에 비해서 절연부재 내부에 대한 전계 강도를 약하게 할 수 있어 채널링의 진전을 억제할 수 있다.

또, 중심전극의 외경이 최선단부, 선단부, 동체부의 순으로 커지도록 되어 있기 때문에, 중심전극의 선단에서 받은 열을 최선단부에서 동체부로 향해서 효율 좋게 전달할 수 있어 중심전극의 열전도를 향상시킬 수 있다. 그 결과, 중심전극의 내구성을 확보하는 것이 가능하게 된다.

적용예 2의 플라즈마 젯 점화 플러그에서는 상기한 바와 같이 정의한 거리(a,b) 및 면적(c)이 "0.2≤(2c)/(a＋b)≤4"의 관계를 만족하도록 캐버티의 주위를 둘러싸는 부분의 형상을 설정하도록 하고 있다. 이와 같은 형상으로 설정함으로써, 절연부재에 있어서 중심전극과 접지전극의 사이에 위치한 부분(환언하면, 캐버티의 주위를 둘러싸는 부분)의 정전용량을 적당한 정도의 값으로 할 수 있기 때문에, 이른바 "플라즈마 전류 결여(plasma current absence)"를 방지할 수 있다.

적용예 3의 플라즈마 젯 점화 플러그에서는 접지전극에 있어서의 개구부의 내경이 절연부재에 있어서의 소경부 선단의 내경에 대해서 75∼120%의 범위가 되도록 설정하고 있다. 이와 같은 범위로 설정함으로써, 채널링이 발생하더라도 캐버티 내에 있어서 소경부의 내주 상에 거의 균일하게 채널링이 발생하게 되기 때문에, 채널링의 진전을 균일화시켜 플라즈마 젯 점화 플러그의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 착화성을 양호한 상태로 유지할 수 있다.

적용예 4의 플라즈마 젯 점화 플러그에서는 중심전극을 음극으로서 사용하도록 하고 있다. 이와 같이 사용함으로써, 채널링에 의해서 절연부재에 있어서의 소경부의 선단 부분이 깎이기 어렵게 된다. 또, 소경부의 내주에 있어서 중심전극의 선단 근방이 깎이기 쉬워지게 되며, 이와 같이 깎여진 경우에는 방전 경로가 외측에서 내측으로 향하는 형태가 되어 채널링의 진전에 대한 착화성의 저하가 억제된다.

적용예 5의 플라즈마 젯 점화 플러그에서는, 중심전극의 최선단부와 절연부재의 소경부의 겹침량이 0.5∼3㎜가 되도록 하고 있다. 이와 같은 범위가 되도록 설정함으로써, 방전의 형태가 연면방전(沿面放電)이 되기 때문에, 방전전압의 증가가 억제된다.

적용예 6의 플라즈마 젯 점화 플러그에서는 절연부재에 있어서의 제 1 단차부와 수용부가 이루는 각도(θ1)와 중심전극에 있어서의 제 2 단차부와 선단부가 이루는 각도(θ2)가 θ1＜θ2의 관계를 만족하도록 하고 있다. 이와 같이 함으로써, 절연부재에 있어서의 제 1 단차부 및 소경부의 소모를 억제할 수 있음과 아울러, 중심전극의 선단의 열전도의 악화를 억제할 수 있고, 또 단차부 사이에 연소가스가 고이는 것을 방지할 수 있다.

적용예 7의 플라즈마 젯 점화 플러그에서는 캐버티의 용적(R)이 "R≤2.5㎣"이 되고, 또한 캐버티의 길이(S)와 소경부의 내경(N)의 비율은 "S/N≥0.3"이 되도록 설정하고 있다. 이와 같은 범위로 설정하여 캐버티의 형상을 최적화함으로써 착화성을 양호하게 할 수 있다.

적용예 8의 플라즈마 젯 점화 플러그에서는 절연부재에 있어서의 제 1 단차부와 중심전극에 있어서의 제 2 단차부의 사이에 간극을 형성하도록 하고 있다. 이와 같은 간극을 형성함으로써, 절연부재의 선단 부분의 열이 중심전극으로 도피하지 않도록 할 수 있기 때문에, 중심전극의 선단에 있어서의 온도상승을 억제할 수 있다.

적용예 9의 플라즈마 젯 점화 플러그에서는 중심전극의 적어도 선단을 융점 2400℃ 이상의 순금속 또는 합금으로 구성하도록 하고 있다. 이와 같이 함으로써, 플라즈마 젯 점화 플러그에 플라즈마 전류를 공급하였을 때에도 중심전극의 선단이 녹기 어렵게 할 수 있다.

적용예 10의 플라즈마 젯 점화 플러그에서는 중심전극의 적어도 선단을 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 구성하도록 하고 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예로서의 플라즈마 젯 점화 플러그(100)를 일부 파단하여 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 젯 점화 플러그(100)의 선단 부분의 중심 근방을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 1의 플라즈마 젯 점화 플러그를 구동하기 위한 점화장치의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 4는 도 2의 절연애자(10)에 있어서 중심전극(20)과 접지전극(30)의 사이에 위치한 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 5는 방전 전후에 있어서의 접지전극에 대한 중심전극의 전압의 파형을 비교하여 나타낸 파형도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 관한 플라즈마 전류 결여의 평가결과의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 7은 도 2에 있어서의 접지전극(30)의 개구부(31) 및 절연애자(10)의 소경부(15) 선단을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 관한 착화성의 평가결과의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 9는 도 2에 있어서의 접지전극(30)의 개구부(31) 및 절연애자(10)의 소경부(15) 선단을 플라즈마 젯 점화 플러그(100)의 선단측에서 보고 나타낸 설명도이다.
도 10은 도 2에 있어서의 중심전극(20)의 극성의 차이에 기인하는 채널링의 진전의 외관의 차이를 나타내는 설명도이다.
도 11은 중심전극(20)의 극성의 차이에 따른 착화성 레벨 유지시간의 차이를 나타내는 설명도이다.
도 12는 도 2에 있어서의 절연애자(10)의 소경부(15)와 중심전극(20)의 최선단부(23)의 겹침 상태를 나타내는 설명도이다.
도 13은 절연애자(10)의 소경부(15)와 중심전극(20)의 최선단부(23)의 겹침량의 차이에 따른 방전전압 증가율을 나타내는 설명도이다.
도 14는 도 2에 있어서의 절연애자(10)의 제 1 단차부(16) 및 중심전극(20)의 제 2 단차부(24)의 근방을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 15는 도 2에 있어서의 캐버티(60)를 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 16은 도 2에 있어서의 캐버티(60)의 형상의 차이에 따른 착화성의 평가결과를 나타내는 설명도이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 실시예에 의거하여 이하의 순서로 설명한다.

A. 플라즈마 젯 점화 플러그의 구조：

B. 플라즈마 젯 점화 플러그의 구동：

C. 실시예의 특징점：

C-1. 절연애자의 소경부의 형상：

C-2. 중심전극의 형상：

C-3. 캐버티 주위의 정전용량：

C-4. 접지전극 및 소경부의 내경：

C-5. 중심전극의 극성：

C-6. 절연애자의 소경부와 중심전극의 최선단부의 겹침：

C-7. 단차부의 각도：

C-8. 캐버티의 형상：

C-9. 단차부 간의 간극：

C-10. 중심전극 선단의 재질：

D. 변형예：

A. 플라즈마 젯 점화 플러그의 구조：

도 1은 본 발명의 일 실시예로서의 플라즈마 젯 점화 플러그(100)를 일부 파단하여 나타낸 단면도이다. 또, 도 2는 도 1의 플라즈마 젯 점화 플러그(100)의 선단 부분의 중심 근방을 확대하여 나타낸 단면도이다. 또한, 도 1에 있어서 플라즈마 젯 점화 플러그(100)의 축선(O)방향을 도면에 있어서의 상하방향으로 하고, 하측을 플라즈마 젯 점화 플러그(100)의 선단측, 상측을 플라즈마 젯 점화 플러그(100)의 후단측으로 하여 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 젯 점화 플러그(100)는 축선(O)방향을 따르는 축구멍(12)을 가지는 통형상의 절연애자(10)와, 이 절연애자(10)의 축구멍(12) 내에 수용되는 중심전극(20)과, 절연애자(10)의 선단에 배치되는 판형상의 접지전극(30)과, 절연애자(10)의 후단에 형성되는 금속단자(40)와, 절연애자(10)를 유지하는 금속 쉘(50)로 구성되어 있다.

절연애자(10)는 주지된 바와 같이 알루미나 등을 소성하여 형성되는 절연부재로서, 그 유전율은 8∼11이다. 절연애자(10)는 그 외형에 있어서, 축선(O)방향의 대략 중앙이 플랜지형상으로 되어 있고, 이 플랜지형상 부분을 경계로 하여 후단측과 선단측으로 나누어져 있다. 그리고, 플랜지형상 부분보다 선단측은 그 도중이 단차형상으로 되어 있고, 선단 부분은 외경이 더 작아지게 되어 있다.

중심전극(20)은 인코넬(상표명) 600 또는 601 등의 Ni계 합금 등으로 형성된 원기둥형상의 전극봉으로서, 내부에 열전도성이 우수한 구리 등으로 이루어지는 금속 심(도시생략)을 가지고 있다. 그리고, 선단에는 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 이루어지는 원반형상의 전극 팁(도시생략)이 용접에 의해 부착되어 있다. 중심전극(20)은 동체부(胴體部)(21)와, 이 동체부(21)보다도 선단측에 위치하는 선단부(22)와, 이 선단부(22)보다도 선단측에 위치하는 최선단부(23)와, 선단부(22)와 최선단부(23)의 사이에 위치하는 제 2 단차부(24)로 나누어져 있다. 선단부(22)의 외경은 동체부(21)의 외경보다도 작게 되어 있고, 최선단부(23)의 외경은 선단부(22)의 외경보다도 작게 되어 있다. 동체부(21)와 선단부(22)의 사이는 플랜지형상으로 되어 있고, 이 플랜지형상 부분이 절연애자(10)의 축구멍(12) 내에 있어서의 단차형상의 부위에 맞닿음으로써 축구멍(12) 내에서 중심전극(20)이 위치결정된다.

또, 절연애자(10)의 축구멍(12)을 형성하는 부분에 있어서, 상기한 단차형상의 부위보다 선단측은 중심전극(20)의 선단부(22)를 수용하는 수용부(14)와, 이 수용부(14)보다도 선단측에 위치하며 중심전극(20)의 최선단부(23)가 배치되는 소경부(小徑部)(15)와, 수용부(14)와 소경부(15)의 사이에 위치하는 제 1 단차부(16)로 나누어져 있다. 소경부(15)의 내경은 중심전극(20)의 선단부(22)의 외경보다 작고, 또한 수용부(14)의 내경보다도 작게 되어 있다. 중심전극(20)의 선단은 절연애자(10)의 소경부(15) 내에 있어서 절연애자(10)의 선단보다도 후측에 위치하고 있으며, 중심전극(20)의 선단과 소경부(15)의 내주(內周)에 의해서 포위되는 용적이 작은 공간은 방전공간이 될 수 있는 캐버티(60)를 형성하고 있다.

또, 접지전극(30)은 내불꽃 소모성이 우수한 금속으로 형성되어 있으며, 일례로서 Ir계 합금이 사용된다. 접지전극(30)은 두께가 0.3∼1㎜의 원반형상을 이루고 있으며, 그 중앙에는 캐버티(60)가 외기(外氣)와 연이어 통하도록 개구부(31)를 가지고 있다. 접지전극(30)은 절연애자(10)의 선단에 맞닿은 상태에서 금속 쉘(50)의 선단의 내주면에 형성된 걸어맞춤부(58)에 걸어맞춰져 있다. 그리고, 접지전극(30)의 외주연이 그 가장자리 전체에 걸쳐서 걸어맞춤부(58)와 레이저 용접됨으로써, 접지전극(30)은 금속 쉘(50)과 일체로 접합되어 있다.

중심전극(20)은 축구멍(12)의 내부에 형성된 금속과 글래스의 혼합물로 이루어지는 도전성의 밀봉체(4)를 경유하여 후단측의 금속단자(40)에 전기적으로 접속되어 있다. 이 밀봉체(4)에 의해서 중심전극(20) 및 금속단자(40)가 축구멍(12) 내에서 고정됨과 아울러 도통된다. 또한, 밀봉체(4)는 열에 의해서 녹는 것을 방지하기 위해서 중심전극(20)의 선단부로부터 필요한 한 떨어진 위치에 배치되어 있다. 또, 금속단자(40)에는 플러그 캡(도시생략)을 통해서 고압 케이블(도시생략)이 접속된다.

금속 쉘(50)은 내연기관(도시생략)의 엔진 헤드에 플라즈마 젯 점화 플러그(100)를 고정하기 위한 원통형상의 쉘(shell)로서, 절연애자(10)를 둘러싸도록 하여 유지하고 있다. 금속 쉘(50)은 철계(鐵系)의 재료로 형성되며, 플러그 렌치(도시생략)가 걸어맞춰지는 공구 걸어맞춤부(51)와, 내연기관의 상부에 형성된 엔진 헤드에 나사결합되는 나사부(52)를 구비하고 있다.

금속 쉘(50)의 공구 걸어맞춤부(51)보다 후단측에는 코킹부(53)가 형성되어 있다. 공구 걸어맞춤부(51)에서부터 코킹부(53)에 걸친 금속 쉘(50)과 절연애자(10)의 후단측의 사이에는 원환형상의 링부재(6,7)가 개재되어 있으며, 또한 양 링부재(6,7)의 사이에 탈크(활석)(9)의 분말이 충전되어 있다. 그리고, 코킹부(53)를 코킹함에 의해서 링부재(6,7) 및 탈크(9)를 통해서 절연애자(10)가 금속 쉘(50) 내에서 선단측으로 향해서 눌려 붙여진다. 이것에 의해서, 절연애자(10)의 외주의 단차형상의 부위가 금속 쉘(50)의 내주면에 단차형상으로 형성된 걸림부(56)에 환형상의 패킹(80)을 통해서 지지됨으로써 금속 쉘(50)과 절연애자(10)가 일체가 된다. 상기 패킹(80)에 의해서 금속 쉘(50)과 절연애자(10)의 사이의 기밀이 유지되어 연소가스의 유출이 방지된다. 또, 공구 걸어맞춤부(51)와 나사부(52)의 사이에는 플랜지부(54)가 형성되어 있으며, 나사부(52)의 후단측 근방, 즉 플랜지부(54)의 시트면(55)에는 개스킷(5)이 삽입되어 있다.

B. 플라즈마 젯 점화 플러그의 구동：

도 3은 도 1의 플라즈마 젯 점화 플러그(100)를 구동하기 위한 점화장치의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다.

플라즈마 젯 점화 플러그(100)는 상기한 고압 케이블을 통해서 점화장치(200)에 접속된다. 점화장치(200)는 서로 다른 계통인 트리거 전원(210)과 플라즈마 전원(220)을 구비하고 있다. 또한, 플라즈마 전원(220)으로서는 10∼120mJ의 출력을 가지는 것을 사용하고 있다.

우선, 트리거 전원(210)에서 코일(212)을 통해서 소망하는 전력이 출력되고, 그 전력이 상기한 고압 케이블을 통해서 플라즈마 젯 점화 플러그(100)에 공급되면, 플라즈마 젯 점화 플러그(100)에 있어서, 상기 전력은 상기 고압 케이블이 접속된 금속단자(40)에서 밀봉체(4)를 통해서 중심전극(20)에 공급된다. 이것에 의해서 중심전극(20)과 접지전극(30)의 사이의 불꽃방전 간극에서 불꽃방전(breakdown)이 일어나고, 이 불꽃방전은 캐버티(60) 내의 공간이나 벽면을 통과한다. 이와 같이 불꽃방전에 의해서 절연파괴가 되면, 그 직후 중심전극(20)의 전압으로서 방전유지전압이 저하된다. 이 저하된 순간에 다른 계통인 플라즈마 전원(220)에서 플라즈마 전류를 공급하면, 그 때에 공급되는 에너지에 의해서 캐버티(60) 내에서 플라즈마가 형성된다. 이와 같이 하여 형성된 플라즈마가 접지전극(30)의 개구부(31)에서 분출되면, 내연기관에 있어서의 혼합기에 대한 착화가 이루어진다. 또한, 도 3에 있어서, C1은 일반적으로 플라즈마 젯 점화 플러그(100)가 유지하고 있는 정전용량이다. C2에 대해서는 후술한다.

C. 실시예의 특징점：

C-1. 절연애자의 소경부의 형상：

본 실시예에서는 도 2에 나타낸 바와 같이 절연애자(10)의 소경부(15)의 축선(O)방향의 형상은 직선형상으로 되어 있다.

이와 같이 소경부(15)의 축선(O)방향의 형상을 직선형상으로 함으로써, 캐버티(60) 내에 있어서의 방전 경로가 직선이 되기 때문에, 방전 경로가 곡선 혹은 L자형인 경우에 비해서 절연애자(10) 내부에 대한 전계 강도를 약하게 할 수 있어 채널링의 진전을 억제할 수 있다.

C-2. 중심전극의 형상：

본 실시예에서는 도 2에 나타낸 바와 같이 중심전극(20)의 외경이 최선단부(23), 제 2 단차부(24), 선단부(22), 동체부(21)의 순으로 커지도록 되어 있기 때문에, 중심전극(20)의 선단에서 받은 열을 최선단부(23)에서 동체부(21)로 향해서 효율 좋게 전달할 수 있어 중심전극(20)의 열전도를 향상시킬 수 있다. 그 결과, 중심전극(20)의 내구성을 확보하는 것이 가능하게 된다.

C-3. 캐버티 주위의 정전용량：

본 실시예에서는 절연애자(10)에 있어서 중심전극(20)과 접지전극(30)의 사이에 위치한 부분, 환언하면 캐버티(60)의 주위를 둘러싸는 부분{소경부(15), 제 1 단차부(16) 등}의 정전용량(C2)이 적당한 정도의 값이 되도록, 그 부분의 형상, 중심전극(20)과 접지전극(30)의 위치관계 등을 고려하여 다음과 같이 설정하도록 하고 있다. 다만, 절연애자(10)의 유전율은 상기한 바와 같이 8∼11인 것으로 한다.

도 4는 도 2의 절연애자(10)에 있어서 중심전극(20)과 접지전극(30)의 사이에 위치한 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다. 즉, 도 4에 나타낸 바와 같이, 예를 들면 접지전극(30)에 있어서, 개구부(31)의 내주의 지름이 중심전극(20)의 선단부(22)의 외경보다도 작고 절연애자(10)의 소경부(15)의 내경보다도 큰 경우에, 접지전극(30)의 개구부(31)의 내주에서부터 축선(O)방향을 따라서 직선(K1)을 그었을 때, 상기 직선(K1)과 절연애자(10)의 선단이 교차하는 교점(P1)과 상기 직선(K1)과 절연애자(10)의 제 1 단차부(16)가 교차하는 교점(P2)의 사이의 거리를 a라 한다. 그리고, 중심전극(20)의 선단부(22)의 외주에서부터 축선(O)방향을 따라서 직선(K2)을 그었을 경우에, 상기 직선(K2)과 절연애자(10)의 제 1 단차부(16)가 교차하는 교점(P3)과 상기 직선(K2)과 절연애자(10)의 선단이 교차하는 교점(P4)의 사이의 거리를 b라 한다. 또한, 접지전극(30)과 중심전극(20)의 선단부(22)를 축선(O)방향으로 투영하였을 경우에, 접지전극(30)과 중심전극(20)의 선단부(22)의 겹쳐진 면적을 c라 한다. 그리고, 이와 같이 정의한 거리(a,b) 및 면적(c)이 "0.2≤(2c)/(a＋b)≤4"의 관계를 만족하도록 캐버티(60)의 주위를 둘러싸는 부분의 형상을 설정하도록 한다. 또한, 접지전극(30)에 있어서, 개구부(31)의 내주의 지름이 중심전극(20)의 선단부(22)의 외경보다도 작고 절연애자(10)의 소경부(15)의 내경보다도 작은 경우에는, 상기 거리(a)는 소경부(15)의 내주의 축선(O)방향의 길이로 한다. 또, 접지전극(30)에 있어서, 개구부(31)의 내주의 지름이 내주(內周)방향에 있어서의 위치에 따라서 변화하는 경우{예를 들면, 후술하는 도 9(d)에 나타낸 바와 같이 개구부(31)의 내주에 복수의 돌기를 가지는 경우}에는, 내주방향에 있어서의 각 위치에서 상기 거리(a)를 구하고, 이것들의 평균값을 상기한 식(式)에 적용하도록 한다.

이와 같은 형상으로 설정함으로써, 캐버티(60)의 주위를 둘러싸는 부분{소경부(15), 제 1 단차부(16) 등}의 정전용량(C2)을 적당한 정도의 값으로 할 수 있기 때문에, 이른바 플라즈마 전류 결여(plasma current absence)를 방지할 수 있다.

이어서, 도 3 및 도 5를 이용하여 본 실시예에 있어서의 플라즈마 전류 결여 방지의 원리에 대해서 설명한다.

도 3에 있어서, 점화장치(200)의 플라즈마 전원(220)에서 플라즈마 젯 점화 플러그(100)에 플라즈마 전류를 공급할 경우, 일반적으로는 상기한 바와 같이 우선 트리거 전원(210)에 의해서 중심전극(20)과 접지전극(30)의 사이(플러그 갭의 사이)에 방전현상을 발생시켜 이들 사이를 도통상태로 한 결과, 접지전극(30)에 대한 중심전극(20)의 전압으로서 방전유지전압이 예를 들면 -500V 이상으로 됨으로써, 플라즈마 전원(220)이 그 내부에 구비하는 콘덴서(도시생략)에 축적된 전하를 단번에 플라즈마 전류로서 공급할 수 있다. 또한, 도 3에 있어서, C2는 상기한 바와 같이 캐버티(60)의 주위를 둘러싸는 부분의 정전용량이다.

도 5는 방전 전후에 있어서의 접지전극에 대한 중심전극의 전압의 파형을 비교하여 나타낸 파형도이다. 도 5에 있어서, (a)는 종래의 플라즈마 젯 점화 플러그에 대한 파형을, (b)는 본 실시예의 플라즈마 젯 점화 플러그(100)에 대한 파형을, (c)는 캐버티(60)의 주위를 둘러싸는 부분의 정전용량(C2)이 너무 큰 값으로 되어 있는 경우의 파형을 각각 나타내고 있다.

종래의 플라즈마 젯 점화 플러그에서는 도 5(a)에 나타낸 바와 같이 사용 조건에 따라서 방전유지전압이 너무 높아지게 되는 경우가 있으며, 이와 같은 경우에는 플라즈마 전류를 공급할 수 없어 플라즈마 전류 결여가 발생한다. 이것에 대해서, 본 실시예의 플라즈마 젯 점화 플러그(100)에서는 상기한 바와 같이 캐버티(60)의 주위를 둘러싸는 부분의 정전용량(C2)이 적당한 정도의 값으로 되어 있기 때문에, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이 방전유지전압을 저하시킬 수 있어 플라즈마 전류를 쉽게 공급할 수 있다. 또, 불꽃방전(breakdown)시에 방출된 전하가 다시 상기 캐버티(60)의 주위를 둘러싸는 부분의 정전용량(C2)에 축적되어 중심전극(20)의 전압이 역방향(플러스측)으로 크게 치우치기 때문에, 플라즈마 전류의 공급을 재촉할 수 있다.

또한, 상기한 거리(a,b) 및 면적(c)이 "a＜b" 또한 "0.2≤(2c)/(a＋b)≤4"의 관계를 만족하지 못하고, 캐버티(60)의 주위를 둘러싸는 부분의 정전용량(C2)이 너무 큰 값으로 되어 있는 경우에는, 도 5(c)에 나타낸 바와 같이 트리거 전원(210) 측의 코일(212)의 인덕터에서 유도전류가 공급됨으로써, 중심전극(20)의 전압으로서 방전유지전압이 -500V 이하로 되어 플라즈마 전류가 공급되지 않게 된다.

그래서, 본 실시예에 관한 플라즈마 전류 결여의 평가결과의 일례를 도 6을 이용하여 설명한다. 도 6은 본 실시예에 관한 플라즈마 전류 결여의 평가결과의 일례를 나타내는 설명도이다. 도 6에 있어서, 세로축은 플라즈마 전류 결여 발생률(%)을 나타내고, 가로축은 상기한 거리(a,b) 및 면적(c)에 의거하는 (2c)/(a＋b)의 값을 나타내고 있다. 또한, 평가 조건은 챔버 압력을 1.0㎫로 한 다음, 플라즈마 전류 결여 발생률 3%를 판정라인으로 하였다.

도 6에서 분명한 바와 같이 (2c)/(a＋b)≥0.2 이상에서 플라즈마 전류 결여 발생률이 3% 이하가 되어 플라즈마 전류 결여가 큰 폭으로 감소한다. 또, 1.0≤(2c)/(a＋b)≤2.0에서는 플라즈마 전류 결여 발생률이 0%로 양호하다. (2c)/(a＋b)＞4에서는 캐버티(60)의 주위를 둘러싸는 부분의 정전용량(C2)이 너무 큰 값으로 되기 때문에, 불꽃방전(breakdown) 후의 방전유지전압이 높아지게 되어 플라즈마 전류 결여가 발생하였다.

C-4. 접지전극 및 소경부의 내경：

도 7은 도 2에 있어서의 접지전극(30)의 개구부(31) 및 절연애자(10)의 소경부(15) 선단을 확대하여 나타낸 단면도이다. 본 실시예에서는 도 7에 나타내는 접지전극(30)에 있어서의 개구부(31)의 내경(M)은 절연애자(10)에 있어서의 소경부(15) 선단의 내경(N)에 대해서 75∼120%의 범위가 되도록 설정하고 있다.

이와 같이 소경부(15) 선단의 내경(N){즉, 환언하면, 캐버티(60)의 내경}에 대한 개구부(31)의 내경(M)의 비율을 상기한 범위로 설정하여 최적화함으로써, 채널링이 발생하더라도 캐버티(60) 내에 있어서 소경부(15)의 내주 상에 거의 균일하게 채널링이 발생하게 되기 때문에, 채널링의 진전을 균일화시켜 플라즈마 젯 점화 플러그(100)의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 착화성을 양호한 상태로 유지할 수 있다.

이것에 대해서, 캐버티(60)의 내경에 대한 개구부(31)의 내경의 비율이 상기한 범위에서 벗어나되, 캐버티(60)의 내경에 대해서 개구부(31)의 내경이 너무 작으면, 개구부(31)에서의 플라즈마 프레임의 분출을 차단하게 되어 착화성이 저하될 우려가 있다. 반대로, 캐버티(60)의 내경에 대해서 개구부(31)의 내경이 너무 크면, 방전 경로가 L자형으로 되기 때문에 채널링이 진전됨과 동시에, 채널링이 발생한 부분에서는 접지전극(30)과 중심전극(20)의 거리가 최단으로 되기 때문에, 방전 경로가 그 부분에 집중되어 채널링의 진전이 그 부분에 편중되므로 착화성이 저하될 우려가 있다.

그래서, 본 실시예에 관한 착화성의 평가결과의 일례를 도 8을 이용하여 설명한다. 도 8은 본 실시예에 관한 착화성의 평가결과의 일례를 나타내는 설명도이다. 도 8에 있어서, 세로축은 착화성을 나타내는 지표로서 내연기관을 무부하(N/L) 상태에서 구동하여(회전수 820rpm) 실화(失火)가 1% 발생한 때의 A/F(공기/연료)값을 나타내고, 가로축은 상기한 소경부(15) 선단의 내경(N){즉, 캐버티(60)의 내경}에 대한 개구부(31)의 내경(M)의 비율(M/N)(%)을 나타내고 있다. 또한, 평가 조건은 A/F=15를 착화성 한계라인으로 하고, A/F값이 15 이상인 경우를 합격으로 하였다. 평가대상으로서는 신품(新品)의 제품과 채널링 내구(耐久) 1,000시간(내구 1,000Hr)의 제품을 사용하였다. 채널링 내구 1,000시간의 제품에 대해서, 채널링 내구 조건은 압력 0.4㎫의 챔버 내에서 주파수 60Hz로 불꽃방전(트리거 방전)시키는 것으로 하였다.

도 8에서 분명한 바와 같이, 캐버티(60)의 내경에 대한 개구부(31)의 내경의 비율이 75% 이상에서 양호한 착화성을 얻을 수 있다. 다만, 채널링 내구 1,000시간의 제품에서는 상기 비율이 120%보다 크게 되면 급격하게 착화성이 저하된다. 따라서, 상기 비율이 75%∼120%인 경우에 착화성이 양호하다.

또한, 본 실시예에 있어서, 캐버티(60)에 대한 접지전극(30)의 개구부(31)의 형태로서는 도 9에 나타낸 바와 같이 여러 가지 형태를 채용할 수 있다. 도 9는 도 2에 있어서의 접지전극(30)의 개구부(31) 및 절연애자(10)의 소경부(15) 선단을 플라즈마 젯 점화 플러그(100)의 선단측에서 보고 나타낸 설명도이다.

도 9에 있어서, (a)는 접지전극(30)에 있어서의 개구부(31)의 내경(M)을 절연애자(10)에 있어서의 소경부(15) 선단의 내경(N){즉, 캐버티(60)의 내경}보다도 크게 한 경우의 형태를 나타내고 있다. 반대로, (b)는 접지전극(30)에 있어서의 개구부(31)의 내경(M)을 절연애자(10)에 있어서의 소경부(15) 선단의 내경(N)보다도 작게 한 경우의 형태를 나타내고 있다. 또, (c)는 접지전극(30)에 있어서의 개구부(31)의 내주의 일부가 접지전극(30)의 외주와 연결되어 개구부(31)가 개방된 형태를 나타내고, (d)는 접지전극(30)에 있어서의 개구부(31)의 내주에 복수의 돌기를 가지는 형태를 나타내고 있다.

C-5. 중심전극의 극성：

본 실시예에서는 접지전극(30)에 대해서 중심전극(20)을 음극으로서 사용하도록 하고 있다.

도 10은 도 2에 있어서의 중심전극(20)의 극성의 차이에 기인하는 채널링의 진전의 외관의 차이를 나타내는 설명도이다. 도 10에 있어서, (a)는 중심전극(20)을 음극으로서 사용한 경우를 나타내고, (b)는 양극으로서 사용한 경우를 나타내고 있다.

일반적으로 채널링의 진전은 음극측 쪽이 크기 때문에, 도 10(b)에 나타낸 바와 같이 접지전극(30)에 대해서 중심전극(20)을 양극으로서 사용한 경우, 절연애자(10)의 소경부(15)의 선단부분이 채널링에 의해서 쉽게 깎이게 되어 방전 경로가 접지전극(30)의 저면측으로 잠입하도록 되기 때문에, 착화성이 저하될 우려가 있다. 이것에 대해서 본 실시예와 같이, 도 10(a)에 나타낸 바와 같이 접지전극(30)에 대해서 중심전극(20)을 음극으로서 사용하도록 한 경우에는 소경부(15)의 선단부분이 깎이는 것과 같은 일은 없고, 소경부(15)의 내주에 있어서 중심전극(20)의 선단 근방이 쉽게 깎이게 되며, 이와 같이 깎인 경우에는 방전 경로가 외측에서 내측으로 향하는 형태가 되어 채널링의 진전에 대한 착화성의 저하가 억제된다.

그래서, 중심전극(20)의 극성의 차이에 따라서 착화성 레벨 유지의 정도가 어떻게 다른지에 대해서 도 11을 사용하여 설명한다. 도 11은 중심전극(20)의 극성의 차이에 따른 착화성 레벨 유지시간의 차이를 나타내는 설명도이다. 도 11에 있어서, 세로축은 채널링 내구 조건 하에서의 내구 시간을 나타낸다. 구체적으로는 내연기관을 무부하(N/L) 상태에서 구동하여(회전수 820rpm) 실화가 1% 발생한 때의 A/F(공기/연료)값이 15를 하회할 때까지의 시간으로 하고 있다. 또한, 채널링 내구 조건은 도 8의 경우와 마찬가지로 압력 0.4㎫의 챔버 내에서 주파수 60Hz로 불꽃방전(트리거 방전)시키는 것으로 하였다.

도 11에서 분명한 바와 같이, 접지전극(30)에 대해서 중심전극(20)을 음극으로서 사용함으로써 착화성 레벨 유지시간이 큰 폭으로 개선된다.

C-6. 절연애자의 소경부와 중심전극의 최선단부의 겹침：

도 12는 도 2에 있어서의 절연애자(10)의 소경부(15)와 중심전극(20)의 최선단부(23)의 겹침 상태를 나타내는 설명도이다. 본 실시예에서는 도 12에 나타낸 바와 같이 축선(O)방향에 있어서 절연애자(10)의 소경부(15)와 중심전극(20)의 최선단부(23)의 겹침량(d)이 0.5∼3㎜가 되도록 하고 있다.

도 13은 절연애자(10)의 소경부(15)와 중심전극(20)의 최선단부(23)의 겹침량의 차이에 의한 방전전압 증가율을 나타내는 설명도이다. 도 13에 있어서, 세로축은 플라즈마 내구 후의 방전전압 증가율(%)을 나타내고, 가로축은 절연애자(10)의 소경부(15)와 중심전극(20)의 최선단부(23)의 겹침량(d)을 나타내고 있다. 또한, 플라즈마 내구 조건은 주파수 60Hz로 100시간(60Hz×100Hr), 118mJ, 챔버 압력 0.4㎫로 한 다음, 방전전압의 증가율 50%를 판정라인으로 하였다.

겹침량(d)이 0.5㎜보다 작은 경우에는, 중심전극(20)의 최선단부(23)에 대해서 전극 소모가 일어나면, 절연애자(10)의 소경부(15)와 겹쳐져 있지 않은 부분까지 전극 소모가 진행되어, 방전의 형태가 기중(氣中)방전 + 연면(沿面)방전으로 되기 때문에, 도 13에 나타낸 바와 같이 방전전압이 큰 폭으로 증가한다.

겹침량(d)이 3㎜보다 큰 경우에는, 중심전극(20)의 열전도가 악화되어 중심전극(20)의 산화가 현저하게 진행되어, 방전전압이 큰 폭으로 증가한다.

이것에 대해서, 겹침량(d)이 0.5∼3㎜의 범위 내인 경우에는 방전의 형태가 연면방전으로 되기 때문에, 방전전압의 증가가 억제된다.

C-7. 단차부의 각도：

도 14는 도 2에 있어서의 절연애자(10)의 제 1 단차부(16) 및 중심전극(20)의 제 2 단차부(24)의 근방을 확대하여 나타낸 단면도이다. 본 실시예에서는 도 14(a)에 나타낸 바와 같이, 절연애자(10)에 있어서 제 1 단차부(16)와 수용부(14)가 이루는 각도를 θ1이라 하고, 중심전극(20)에 있어서 제 2 단차부(24)와 선단부(22)가 이루는 각도를 θ2라 한 경우에, 이들 각도가 "θ1＜θ2"의 관계를 만족하도록 설정하고 있다.

이것에 대해서, 예를 들면 도 14(b)에 나타낸 바와 같이, 제 1 단차부(16)와 수용부(14)가 이루는 각도(θ1)와 제 2 단차부(24)와 선단부(22)가 이루는 각도(θ2)의 관계를 상기한 것과는 반대로 "θ1＞θ2"로 한 경우, 중심전극(20)의 최선단부(23)의 축선(O)방향의 길이가 도 14(a)의 경우와 같은 것으로 하면, 중심전극(20)의 최선단부(23)가 소모되었을 때, 접지전극(30)과의 사이에서의 점(e)에 전계가 집중하여 방전의 기점으로 되기 쉬워지기 때문에, 절연애자(10)의 제 1 단차부(16) 및 소경부(15)가 소모되기 쉬워지게 된다.

또, 예를 들면 도 14(c)에 나타낸 바와 같이, 각도(θ1)와 각도(θ2)의 관계를 "θ1＞θ2"로 함과 아울러, 중심전극(20)의 최선단부(23)의 축선(O)방향의 길이를 도 14(a)의 경우보다도 길게 하면, 중심전극(20)의 최선단부(23)의 소모에 의한 영향은 완화되지만, 최선단부(23)의 길이가 길어지게 된 만큼 중심전극(20)의 선단의 열전도가 악화되어 중심전극(20)의 선단이 소모되기 쉬워지게 됨과 아울러, 제 1 단차부(16)와 제 2 단차부(24)의 사이의 공간이 넓어지게 되기 때문에 그 부분에 연소가스가 고이기 쉬워지게 된다.

C-8. 캐버티의 형상：

도 15는 도 2에 있어서의 캐버티(60)를 확대하여 나타낸 단면도이다. 본 실시예에서는 도 15에 나타낸 바와 같이 캐버티(60)의 용적을 R이라 하고, 캐버티(60)에 있어서의 축선(O)방향을 따르는 길이를 S라 하고, 캐버티(60)의 내경{즉, 환언하면, 절연애자(10)의 소경부(15)의 내경}을 N이라 하였을 때, 용적(R)은 "R≤2.5㎣"이 되고, 또한 길이(S)와 내경(N)의 비율은 "S/N≥0.3"이 되도록 설정하고 있다.

캐버티(60)의 용적(R), 길이(S), 내경(N)을 이와 같은 범위로 설정하여 캐버티(60)의 형상을 최적화함으로써 착화성을 양호하게 할 수 있다.

도 16은 도 2에 있어서의 캐버티(60)의 형상의 차이에 따른 착화성의 평가결과를 나타내는 설명도이다. 도 16에 있어서, 세로축은 도 8의 경우와 마찬가지로 착화성을 나타내는 지표로서 내연기관을 무부하(N/L) 상태에서 구동하여(회전수 820rpm) 실화가 1% 발생한 때의 A/F값을 나타내고, 가로축은 상기한 캐버티(60)의 용적(R)(㎣)을 나타내고 있다. 그리고, 캐버티(60)의 내경(N)(㎜)이 ø0.5, ø1.0, ø1.3, ø1.5, ø2.0의 5가지 경우에 대해서 각각 나타내고 있다. 또한, 평가 조건은 도 8의 경우와 마찬가지로 A/F=15를 착화성 한계라인으로 하고, A/F값이 15 이상인 경우를 합격으로 하였다.

도 16에서 분명한 바와 같이, 캐버티(60)의 용적(R)이 2.5㎣를 넘으면, 급격하게 착화성이 저하된다. 또, 캐버티(60)의 내경(N)이 ø2.0㎜인 경우에는 용적(R)이 2㎣ 이하로 되더라도 착화성이 저하된다. 그 이유로서는 캐버티(60)의 내경(N)이 커지게 되면, 캐버티(60)의 길이(S)와의 비율에 영향을 끼치는 것이라고 생각된다.

또, 도 16에 나타내는 모든 데이터에 대해서 캐버티(60)의 길이(S)와 내경(N)의 비율을 구한 바, 캐버티(60)의 용적(R)이 2.5㎣ 이하의 제품에 대해서 착화성이 저하된 것은 상기 비율이 0.25 이하인 것이고, 착화성이 저하되지 않은 것은 상기 비율이 0.3 이상인 것이다.

따라서, 캐버티(60)의 용적(R)이 2.5㎣ 이하이고, 또한 캐버티(60)의 길이(S)와 내경(N)의 비율이 0.3 이상인 경우에 착화성이 양호하다.

C-9. 단차부 간의 간극：

본 실시예에서는 도 2에 나타낸 바와 같이 절연애자(10)에 있어서의 제 1 단차부(16)와 중심전극(20)에 있어서의 제 2 단차부(24)의 사이에 간극을 형성하도록 하고 있다. 이것에 의해서, 절연애자(10)의 선단부분의 열이 중심전극(20)으로 도피할 수 없도록 할 수 있기 때문에, 중심전극(20)의 선단에 있어서의 온도 상승을 억제할 수 있다.

C-10. 중심전극 선단의 재질：

본 실시예에서는 상기한 바와 같이 중심전극(20)의 선단이 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 이루어져 있기 때문에, 플라즈마 젯 점화 플러그(100)에 플라즈마 전류를 공급하였을 때에도 중심전극(20)의 선단이 녹기 어렵게 할 수 있다. 또한, 중심전극(20)의 선단은 텅스텐이나 텅스텐 합금 이외에 융점 2400℃ 이상의 순금속 또는 합금으로 구성하도록 하여도 좋다.

D. 변형예：

또한, 본 발명은 상기한 실시예나 실시형태에 한정되는 것이 아니며 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 형태로 실시하는 것이 가능하다. 상기한 실시예에서는 특징점으로서 C-1∼C-10에 기재된 각 특징점을 가지고 있으나, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉, 적어도 C-1, C-2에 기재된 특징점을 가지고 있으면 되고, 그 외의 특징점에 대해서는 가지고 있지 않아도 좋다. 또, 가지는 경우에도 이들 특징점을 임의로 조합하여도 좋다.

4 - 밀봉체 5 - 개스킷
6,7 - 링부재 9 - 탈크
10 - 절연애자 12 - 축구멍
14 - 수용부 15 - 소경부
16 - 제 1 단차부 20 - 중심전극
21 - 동체부 22 - 선단부
23 - 최선단부 24 - 제 2 단차부
30 - 접지전극 31 - 개구부
40 - 금속단자 50 - 금속 쉘
51 - 공구 걸어맞춤부 52 - 나사부
53 - 코킹부 54 - 플랜지부
55 - 시트면 56 - 걸림부
58 - 걸어맞춤부 60 - 캐버티
80 - 패킹 100 - 플라즈마 젯 점화 플러그
200 - 점화장치 210 - 트리거 전원
212 - 코일 220 - 플라즈마 전원

Claims

축선방향을 따르는 축구멍을 가지는 통형상의 절연부재와, 상기 절연부재의 축구멍 내에 수용되는 봉형상의 중심전극과, 상기 절연부재의 선단에 배치되는 판형상의 접지전극을 구비하는 플라즈마 젯 점화 플러그에 있어서,
상기 중심전극은 동체부와, 상기 동체부의 외경보다도 작은 외경을 가짐과 아울러 상기 동체부보다도 선단측에 위치하는 선단부와, 상기 선단부의 외경보다도 작은 외경을 가짐과 아울러 상기 선단부보다도 선단측에 위치하는 최선단부를 가지며,
상기 절연부재에 있어서, 상기 축구멍을 형성하는 부분은 상기 중심전극의 동체부의 외경보다도 작은 내경을 가짐과 아울러 상기 중심전극의 적어도 상기 선단부를 수용하는 수용부와, 상기 중심전극의 선단부의 외경보다도 작고 상기 수용부의 내경보다도 작은 내경을 가짐과 아울러 상기 수용부보다도 선단측에 위치하여 상기 중심전극의 적어도 상기 최선단부가 배치되는 소경부를 가지며,
상기 중심전극의 선단은 상기 절연부재의 소경부 내에 있어서 상기 절연부재의 선단보다도 후측에 위치하여 상기 소경부의 내주와 함께 캐버티를 형성하고 있으며,
상기 접지전극은 상기 캐버티와 외기를 연이어 통하게 하기 위한 개구부를 가지며,
상기 소경부의 상기 축선방향의 형상은 직선형상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.
청구항 1에 있어서,
상기 절연부재에 있어서, 상기 축구멍을 형성하는 부분은 상기 수용부와 상기 소경부의 사이에 위치하는 제 1 단차부를 더 가지며,
상기 접지전극에 있어서, 상기 개구부의 내주의 지름이 상기 중심전극의 선단부의 외경보다도 작고 상기 소경부의 내경보다도 큰 경우에는, 상기 접지전극의 개구부의 내주에서 상기 축선방향을 따라서 제 1 직선을 그었을 경우에, 상기 제 1 직선과 상기 절연부재의 선단이 교차하는 제 1 교점과 상기 제 1 직선과 상기 절연부재의 제 1 단차부가 교차하는 제 2 교점의 사이의 거리를 a라 하고,
상기 접지전극에 있어서, 상기 개구부의 내주의 지름이 상기 중심전극의 선단부의 외경보다도 작고 상기 소경부의 내경보다도 작은 경우에는 상기 소경부의 내주의 상기 축선방향의 길이를 a라 하고,
상기 중심전극의 선단부의 외주에서 상기 축선방향을 따라서 제 2 직선을 그었을 경우에, 상기 제 2 직선과 상기 절연부재의 제 1 단차부가 교차하는 제 3 교점과 상기 제 2 직선과 상기 절연부재의 선단이 교차하는 제 4 교점의 사이의 거리를 b라 하고,
상기 접지전극과 상기 중심전극의 선단부를 상기 축선방향으로 투영하였을 경우에, 상기 접지전극과 상기 중심전극의 선단부와의 겹쳐진 면적을 c라 하였을 때, "0.2≤(2c)/(a＋b)≤4"의 관계인 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 접지전극에 있어서의 상기 개구부의 내경은 상기 절연부재에 있어서의 상기 소경부 선단의 내경에 대해서 75∼120%의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중심전극은 음극으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 축선방향에 있어서, 상기 최선단부와 상기 소경부의 겹침량은 0.5∼3㎜인 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중심전극은 상기 선단부와 상기 최선단부의 사이에 위치하는 제 2 단차부를 더 가지며,
상기 제 1 단차부와 상기 수용부가 이루는 각도를 θ1이라 하고, 상기 제 2 단차부와 상기 선단부가 이루는 각도를 θ2라 하였을 때, "θ1＜θ2"인 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캐버티의 용적을 R이라 하고, 상기 캐버티의 상기 축선방향을 따르는 길이를 S라 하고, 상기 소경부의 내경을 N이라 하였을 때, 상기 용적(R)은 "R≤2.5㎣"이고, 또한 상기 길이(S)와 상기 내경(N)의 비율은 "S/N≥0.3"인 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 단차부와 상기 제 2 단차부의 사이에 간극을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중심전극은 적어도 그 선단이 융점 2400℃ 이상의 순금속 또는 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.
청구항 9에 있어서,
상기 중심전극은 적어도 그 선단이 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.