JP6006658B2 - Plasma jet ignition plug and ignition system - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマを生成することで混合気等への着火を行うプラズマジェット点火プラグ、及び、プラズマジェット点火プラグを有する点火システムに関する。 The present invention relates to a plasma jet ignition plug that ignites an air-fuel mixture or the like by generating plasma, and an ignition system having a plasma jet ignition plug.
従来、内燃機関等においては、火花放電により混合気等へと着火する点火プラグが使用されている。また近年では、内燃機関の高出力化や低燃費化の要求に応えるべく、燃焼の広がりが速く、着火限界空燃比のより高い希薄混合気等に対してもより確実に着火可能な点火プラグとして、プラズマジェット点火プラグが提案されている。 Conventionally, in an internal combustion engine or the like, an ignition plug that ignites an air-fuel mixture or the like by spark discharge is used. In recent years, in order to meet the demand for higher output and lower fuel consumption of internal combustion engines, as an ignition plug that can be ignited more reliably even with a lean mixture with a fast combustion spread and a higher ignition limit air-fuel ratio. Plasma jet spark plugs have been proposed.
一般にプラズマジェット点火プラグは、軸孔を有する筒状の絶縁体と、先端面が絶縁体の先端面よりも没入した状態で軸孔内に挿設される中心電極と、絶縁体の外周に配置される主体金具と、主体金具の先端部に接合される円環状の接地電極とを備える。また、プラズマジェット点火プラグは、中心電極の先端側表面及び絶縁体の内周面によって形成された空間(キャビティ部)を有しており、当該キャビティ部は接地電極に形成された貫通孔を介して外部に連通されるようになっている。 Generally, a plasma jet ignition plug is disposed on a cylindrical insulator having a shaft hole, a center electrode inserted into the shaft hole with the tip surface being more immersed than the tip surface of the insulator, and an outer periphery of the insulator. And a ring-shaped ground electrode joined to the tip of the metal shell. Further, the plasma jet ignition plug has a space (cavity part) formed by the front end side surface of the center electrode and the inner peripheral surface of the insulator, and the cavity part passes through a through hole formed in the ground electrode. To communicate with the outside.
このようなプラズマジェット点火プラグにおいては、次のようにして混合気等への着火が行われる。まず、中心電極及び接地電極間に電圧を印加して、両電極間で火花放電を生じさせて両電極間を絶縁破壊する。その上で、両電極間に電力を投入することによって放電状態を遷移させて、前記キャビティ部の内部にプラズマを発生させる。そして、発生したプラズマがキャビティ部から貫通孔を通って噴出することで、混合気等への着火が行われる。 In such a plasma jet ignition plug, the air-fuel mixture or the like is ignited as follows. First, a voltage is applied between the center electrode and the ground electrode to cause a spark discharge between the two electrodes, thereby causing a dielectric breakdown between the two electrodes. In addition, a discharge state is transitioned by applying power between both electrodes, and plasma is generated inside the cavity portion. Then, the generated plasma is ejected from the cavity through the through hole, so that the air-fuel mixture is ignited.
ところで、より一層優れた着火性を実現する手法としては、火花放電後に投入する電力をより大きなものとし、より大きなプラズマを発生させることが考えられる。ところが、大きな電力を投入すると、中心電極が消耗しやすくなってしまい、火花放電のために必要な電圧(放電電圧)が急速に増大してしまうおそれがある。 By the way, as a method for realizing even better ignitability, it is conceivable to generate a larger plasma by increasing the electric power input after the spark discharge. However, when a large amount of electric power is applied, the center electrode tends to be consumed, and the voltage (discharge voltage) necessary for spark discharge may increase rapidly.
そこで、絶縁体の内周面に段差部を設けたり、先端側に向けて縮径する縮径部を設けたりすることで、キャビティ部に絞りを設け、比較的小さな投入電力であっても優れた着火性を実現する手法が提案されている(例えば、特許文献1等参照)。 Therefore, by providing a step on the inner peripheral surface of the insulator, or by providing a reduced diameter part that reduces the diameter toward the tip side, an aperture is provided in the cavity part, which is excellent even with relatively small input power. A method for realizing the ignitability has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、火花放電に伴い、火花放電の発生経路上に位置する絶縁体が削られてしまう現象(いわゆる、チャンネリング)が生じる。上記手法では、火花放電に際して、絶縁体の内周面に対して火花放電が押し付けられるような状態で生じるため、絶縁体が削られやすくなってしまう。さらに、中心電極及び接地電極を結ぶ経路のうち、絶縁体が削られた部位を通る経路は他の経路よりも短くなるため、その経路に集中して火花放電が生じてしまい、チャンネリングの局所的な集中を招いてしまう。その結果、絶縁体が筋状に深く削られることとなってしまい、接地電極の後端側面(絶縁体の先端部と対向する面)と中心電極とを結ぶような溝が絶縁体の内周面に形成されてしまうおそれがある。この溝に沿って火花放電を生じさせ、プラズマを発生させたとしても、接地電極の存在等によりプラズマがキャビティ部の外部へと噴出しにくくなってしまう。すなわち、上記特許文献1に記載の技術によれば、初期段階において優れた着火性を実現できるものの、使用に伴い着火性が急激に低下してしまうおそれがある。 However, with the spark discharge, a phenomenon (so-called channeling) occurs in which the insulator located on the spark discharge generation path is scraped. In the above method, the spark discharge is generated in a state in which the spark discharge is pressed against the inner peripheral surface of the insulator, so that the insulator is easily cut. Furthermore, among the paths connecting the center electrode and the ground electrode, the path that passes through the part where the insulator has been cut is shorter than the other paths, so that a spark discharge is concentrated on that path, resulting in local channeling. Concentrating. As a result, the insulator is deeply cut in a streak shape, and a groove connecting the rear electrode side surface (the surface facing the tip of the insulator) and the center electrode is formed on the inner periphery of the insulator. It may be formed on the surface. Even if a spark discharge is generated along the groove to generate plasma, the presence of the ground electrode makes it difficult for the plasma to be ejected to the outside of the cavity portion. That is, according to the technique described in Patent Document 1, although excellent ignitability can be realized in the initial stage, there is a risk that the ignitability may rapidly decrease with use.
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、着火性の向上を図りつつ、チャンネリングの急速な進展を抑制することで、優れた着火性を長期間に亘って維持することができるプラズマジェット点火プラグ及び点火システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to maintain excellent ignitability over a long period of time by suppressing rapid progress of channeling while improving ignitability. It is an object of the present invention to provide a plasma jet spark plug and an ignition system that can be used.
以下、上記目的を解決するのに適した各構成につき、項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する構成に特有の作用効果を付記する。 Hereinafter, each configuration suitable for solving the above-described object will be described in terms of items. In addition, the effect specific to the corresponding structure is added as needed.
構成1.本構成のプラズマジェット点火プラグは、軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
先端面が前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向後端側に位置するようにして前記軸孔内に挿設された中心電極と、
前記絶縁体の外周に配置された主体金具と、
前記主体金具の先端部に固定された接地電極と、
前記絶縁体の内周面及び前記中心電極の先端側表面により形成されたキャビティ部と、
前記接地電極に形成され、前記キャビティ部と外部とを連通する貫通孔と、を備えるプラズマジェット点火プラグであって、
正極性の電圧が印加される前記中心電極と、前記接地電極との間にて火花放電を生じさせるとともに、
前記軸孔は、前記中心電極の先端部が配置される大径部と、前記大径部よりも先端側に位置するとともに自身の内径が前記大径部の内径よりも小さい小径部とを有し、
前記中心電極の先端は、前記絶縁体の内周面から離間し、かつ、前記小径部の後端から前記軸線方向後端側に位置し、
前記中心電極の前記先端部は、前記キャビティ部側に向けて凸のエッジ部を有するとともに、前記軸線と直交する方向に沿った前記小径部の中心軸から前記エッジ部までの最小距離が、前記小径部の径よりも小さく、
前記貫通孔の内径は、前記小径部の内径よりも大きく、
前記接地電極のうち前記貫通孔を形成する部位と前記絶縁体の先端部との間に隙間が設けられていることを特徴とする。
Configuration 1. The plasma jet ignition plug of this configuration includes an insulator having an axial hole extending in the axial direction;
A center electrode inserted into the shaft hole so that a tip surface is located on the rear end side in the axial direction from the tip of the insulator;
A metal shell disposed on the outer periphery of the insulator;
A ground electrode fixed to the tip of the metal shell,
A cavity portion formed by the inner peripheral surface of the insulator and the tip-side surface of the center electrode;
A plasma jet ignition plug comprising a through hole formed in the ground electrode and communicating with the cavity and the outside,
While causing a spark discharge between the center electrode to which a positive voltage is applied and the ground electrode,
The shaft hole has a large-diameter portion in which the tip portion of the center electrode is disposed, and a small-diameter portion that is located on the tip side of the large-diameter portion and whose inner diameter is smaller than the inner diameter of the large-diameter portion. And
The tip of the center electrode is spaced from the inner peripheral surface of the insulator, and is located on the rear end side in the axial direction from the rear end of the small diameter portion,
The distal end portion of the center electrode has a convex edge portion toward the cavity portion side, and a minimum distance from the central axis of the small diameter portion along the direction orthogonal to the axis to the edge portion is Smaller than the diameter of the small diameter part,
The inner diameter of the through hole is larger than the inner diameter of the small diameter portion,
A gap is provided between a portion of the ground electrode where the through hole is formed and the tip of the insulator.
上記構成1によれば、軸孔は、中心電極の先端部が配置される大径部と、大径部よりも先端側に位置するとともに自身の内径が大径部の内径よりも小さい小径部とを有している。従って、キャビティ部の開口側(軸線方向先端側)に向けたプラズマの噴出圧力を増大させることができる。 According to the configuration 1, the shaft hole includes the large-diameter portion where the tip portion of the center electrode is disposed, and the small-diameter portion that is located on the tip side of the large-diameter portion and whose inner diameter is smaller than the inner diameter of the large-diameter portion. And have. Accordingly, it is possible to increase the plasma ejection pressure toward the opening side (the front end side in the axial direction) of the cavity portion.
また、上記構成1によれば、貫通孔の内径が小径部の内径よりも大きくされている。従って、貫通孔からプラズマをスムーズに噴出させることができ、上述の通り、プラズマの噴出圧力の増大が図られることと相俟って、キャビティ部開口からのプラズマの噴出長さを非常に大きなものとすることができる。その結果、優れた着火性を実現することができる。 Moreover, according to the said structure 1, the internal diameter of the through-hole is made larger than the internal diameter of a small diameter part. Accordingly, the plasma can be smoothly ejected from the through hole, and, as described above, the plasma ejection length from the cavity opening is extremely large in combination with the increase in the plasma ejection pressure. It can be. As a result, excellent ignitability can be realized.
さらに、上記構成1によれば、中心電極に正極性の電圧が印加されることで火花放電が生じるように構成されるとともに、中心電極の先端部には、小径部の中心軸からの最小距離が小径部の径(半径)よりも小さくなる(つまり、小径部の内周面よりも内周側に位置する)エッジ部が形成されている。従って、火花放電に際して、接地電極から、小径部よりも内周側に位置するエッジ部に向けて電子が飛ぶ(移動する)こととなる。その上で、上記構成1によれば、接地電極のうち貫通孔を形成する部位と絶縁体の先端部との間に隙間が設けられている。そのため、接地電極の近傍において、接地電極から飛んだ電子が絶縁体の先端面や絶縁体の先端側内周面を這うといった事態が生じにくくなる。また、上記構成1によれば、中心電極の先端は、絶縁体の内周面から離間し、かつ、小径部の後端よりも後端側に位置している。従って、エッジ部に向けて飛ぶ電子が絶縁体の内周面を這いにくくなる。 Furthermore, according to the said structure 1, while being configured so that a spark discharge is generated by applying a positive voltage to the center electrode, the tip of the center electrode has a minimum distance from the center axis of the small diameter portion. Is smaller than the diameter (radius) of the small diameter portion (that is, located on the inner peripheral side of the inner peripheral surface of the small diameter portion). Therefore, at the time of spark discharge, electrons fly (move) from the ground electrode toward the edge portion located on the inner peripheral side of the small diameter portion. In addition, according to the configuration 1, the gap is provided between the portion of the ground electrode where the through hole is formed and the tip of the insulator. Therefore, in the vicinity of the ground electrode, it is difficult for the electrons flying from the ground electrode to crawl on the tip end surface of the insulator or the inner peripheral surface on the tip end side of the insulator. Moreover, according to the said structure 1, the front-end | tip of a center electrode is spaced apart from the internal peripheral surface of an insulator, and is located in the rear end side rather than the rear end of a small diameter part. Therefore, electrons flying toward the edge portion are less likely to crawl the inner peripheral surface of the insulator.
そして、上述の作用効果が相乗的に作用することで、火花放電は、軸線方向に沿った広範囲において気中を通る経路にて生じやすくなる。さらに、絶縁体の内周面を這う経路を含む経路にて火花放電が生じた場合であっても、接地電極から、内周側に位置するエッジ部に向けて電子が飛ぶため、火花放電は絶縁体の内周面に押し付けられるような状態とはなりにくい。従って、火花放電に伴い、絶縁体が急激に削れてしまう(チャンネリングが急速に進展してしまう)といった事態を極めて効果的に防止することができる。また、火花放電は主として気中にて生じるため、火花放電の経路をより分散化させることができる。これらの結果、絶縁体の一部のみが深く削れてしまうといった事態が著しく生じにくくなる。従って、火花放電を繰り返し行った後であっても、火花放電を接地電極のうち貫通孔を形成する部位と中心電極との間でより確実に生じさせることができる。その結果、上述の優れた着火性を長期間に亘って維持することができる。 And since the above-mentioned operation effect acts synergistically, spark discharge is likely to occur in a route passing through the air in a wide range along the axial direction. Furthermore, even if a spark discharge occurs in a path including the path that crawls the inner peripheral surface of the insulator, electrons fly from the ground electrode toward the edge located on the inner peripheral side, so the spark discharge is It is unlikely to be pressed against the inner peripheral surface of the insulator. Therefore, it is possible to effectively prevent a situation in which the insulator is sharply scraped (the channeling progresses rapidly) due to the spark discharge. In addition, since the spark discharge occurs mainly in the air, the spark discharge path can be further dispersed. As a result, a situation in which only a portion of the insulator is deeply cut off is significantly less likely to occur. Therefore, even after the spark discharge is repeatedly performed, the spark discharge can be more reliably generated between the portion of the ground electrode where the through hole is formed and the center electrode. As a result, the above-described excellent ignitability can be maintained over a long period of time.
構成2.本構成のプラズマジェット点火プラグは、上記構成1において、前記軸線と直交する方向に沿った前記軸線から前記エッジ部までの最小距離をaとし、前記小径部の径をrとしたとき、a≦0.7rであることを特徴とする。
上記構成2によれば、a≦0.7rを満たすように構成されており、エッジ部は、軸線と直交する方向に沿って小径部の内周面から十分に離間した位置に設けられている。従って、絶縁体の内周面を這う火花放電が一層生じにくくなり、火花放電が軸線方向に沿ったより広範囲において気中を通るようにして生じることとなる。その結果、チャンネリングの進展速度を一層低減させることができ、優れた着火性をより長期間に亘って維持することができる。
According to the
構成3.本構成のプラズマジェット点火プラグは、上記構成1又は2において、前記エッジ部と前記小径部の後端との間の前記軸線に沿った距離が0.2mm以上0.8mm以下であることを特徴とする。
Configuration 3. The plasma jet ignition plug of this configuration is characterized in that, in the
通常、エッジ部及び小径部の後端はそれぞれ電界強度が比較的高くなる。そのため、両者間が過度に接近している場合、火花放電は、両者間を結ぶ経路を通るようにして生じやすい。両者間を結ぶ経路を通るようにして火花放電が生じてしまうと、火花放電は軸線方向に沿った小径部の内周面全域を這う経路にて生じてしまう(つまり、チャンネリングが進展しやすくなってしまう)おそれがある。 Usually, the electric field strength is relatively high at the rear end of the edge portion and the small diameter portion. For this reason, when the two are excessively close to each other, spark discharge is likely to occur through a path connecting the two. If a spark discharge occurs along the path connecting the two, the spark discharge occurs along a path over the entire inner peripheral surface of the small-diameter portion along the axial direction (that is, channeling tends to progress). There is a risk of becoming.
この点、上記構成3によれば、エッジ部と小径部の後端との間の距離が0.2mm以上とされており、エッジ部と小径部の後端とが十分に離間するように構成されている。従って、両者を結ぶ経路を通るような火花放電の発生をより確実に抑制することができる。その結果、チャンネリングの急激な進展をより確実に防止することができる。 In this regard, according to the configuration 3, the distance between the edge portion and the rear end of the small diameter portion is 0.2 mm or more, and the edge portion and the rear end of the small diameter portion are sufficiently separated from each other. Has been. Therefore, it is possible to more reliably suppress the occurrence of spark discharge that passes through the path connecting the two. As a result, rapid progress of channeling can be prevented more reliably.
さらに、中心電極及び接地電極間で火花放電を生じさせるために必要な電圧(放電電圧)が大きい場合には、絶縁抵抗が比較的小さな経路(すなわち、絶縁体の内周面を這う経路を含む経路)にて火花放電が生じやすくなるが、上記構成3によれば、エッジ部と小径部の後端との間の距離が0.8mm以下とされている。従って、放電電圧を十分に小さなものとすることができ、絶縁体の内周面を這う形での火花放電の発生をより効果的に抑制することができる。その結果、チャンネリングの進展速度をさらに低減させることができる。 Furthermore, when a voltage (discharge voltage) required to cause a spark discharge between the center electrode and the ground electrode is large, a path with a relatively small insulation resistance (that is, a path over the inner peripheral surface of the insulator) is included. In the path 3, spark discharge is likely to occur. According to the configuration 3, the distance between the edge portion and the rear end of the small diameter portion is set to 0.8 mm or less. Therefore, the discharge voltage can be made sufficiently small, and the occurrence of spark discharge in the shape of the inner peripheral surface of the insulator can be more effectively suppressed. As a result, the progress speed of channeling can be further reduced.
構成4.本構成のプラズマジェット点火プラグは、上記構成1乃至3のいずれかにおいて、前記接地電極のうち前記貫通孔を形成する部位と前記絶縁体の先端部との間の前記軸線に沿った距離が0.2mm以上0.5mm以下であることを特徴とする。
上記構成4によれば、接地電極のうち貫通孔を形成する部位と絶縁体の先端部との間の距離が0.2mm以上とされている。従って、接地電極から中心電極へと電子が移動するときに、気中を通る経路にて電子が移動しやすくなる。その結果、火花放電が気中を通る経路にて一層生じやすくなり、チャンネリングの進展をより効果的に抑制することができる。
According to the
さらに、上記構成4によれば、接地電極のうち貫通孔を形成する部位と絶縁体の先端部との間の距離が0.5mm以下とされている。従って、放電電圧を一層低減させることができ、絶縁体の内周面を這う火花放電の発生を一層確実に抑制することができる。
Furthermore, according to the said
構成5.本構成のプラズマジェット点火プラグは、上記構成1乃至4のいずれかにおいて、前記貫通孔の内径から前記小径部の内径を減じた値の1/2が0.2mm以上0.5mm以下であることを特徴とする。
上記構成5によれば、貫通孔の内径から前記小径部の内径を減じた値の1/2(つまり、貫通孔と小径部との半径差)が0.2mm以上とされている。従って、貫通孔からプラズマをよりスムーズに噴出させることができ、着火性を一層向上させることができる。
According to the
また、上記構成5によれば、前記半径差が0.5mm以下とされている。従って、絶縁体の先端面を這う火花放電が生じにくくなり、ひいては絶縁体の内周面を這う火花放電の発生をより確実に抑制することができる。その結果、チャンネリングの進展を一層効果的に抑制することができる。
Moreover, according to the said
構成6.本構成の点火システムは、軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
先端面が前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向後端側に位置するようにして前記軸孔内に挿設された中心電極と、
前記絶縁体の外周に配置された主体金具と、
前記主体金具の先端部に固定された接地電極と、
前記絶縁体の内周面及び前記中心電極の先端側表面により形成されたキャビティ部と、
前記接地電極に形成され、前記キャビティ部と外部とを連通する貫通孔と、を備えるプラズマジェット点火プラグ、及び、
前記中心電極に電圧を印加する電圧印加装置を具備する点火システムであって、
前記電圧印加装置から前記中心電極に対して正極性の電圧が印加されることで、前記中心電極と前記接地電極との間にて火花放電を生じさせるとともに、
前記軸孔は、前記中心電極の先端部が配置される大径部と、前記大径部よりも先端側に位置するとともに自身の内径が前記大径部の内径よりも小さい小径部とを有し、
前記中心電極の先端は、前記絶縁体の内周面から離間し、かつ、前記小径部の後端から前記軸線方向後端側に位置し、
前記中心電極の前記先端部は、前記キャビティ部側に向けて凸のエッジ部を有するとともに、前記軸線と直交する方向に沿った前記小径部の中心軸から前記エッジ部までの最小距離が、前記小径部の径よりも小さく、
前記貫通孔の内径は、前記小径部の内径よりも大きく、
前記接地電極のうち前記貫通孔を形成する部位と前記絶縁体の先端部との間に隙間が設けられていることを特徴とする。
Configuration 6. The ignition system of this configuration includes an insulator having an axial hole extending in the axial direction;
A center electrode inserted into the shaft hole so that a tip surface is located on the rear end side in the axial direction from the tip of the insulator;
A metal shell disposed on the outer periphery of the insulator;
A ground electrode fixed to the tip of the metal shell,
A cavity portion formed by the inner peripheral surface of the insulator and the tip-side surface of the center electrode;
A plasma jet ignition plug provided with a through hole formed in the ground electrode and communicating with the cavity portion and the outside; and
An ignition system comprising a voltage application device for applying a voltage to the center electrode,
By applying a positive voltage from the voltage application device to the center electrode, a spark discharge is generated between the center electrode and the ground electrode,
The shaft hole has a large-diameter portion in which the tip portion of the center electrode is disposed, and a small-diameter portion that is located on the tip side of the large-diameter portion and whose inner diameter is smaller than the inner diameter of the large-diameter portion. And
The tip of the center electrode is spaced from the inner peripheral surface of the insulator, and is located on the rear end side in the axial direction from the rear end of the small diameter portion,
The distal end portion of the center electrode has a convex edge portion toward the cavity portion side, and a minimum distance from the central axis of the small diameter portion along the direction orthogonal to the axis to the edge portion is Smaller than the diameter of the small diameter part,
The inner diameter of the through hole is larger than the inner diameter of the small diameter portion,
A gap is provided between a portion of the ground electrode where the through hole is formed and the tip of the insulator.
上記構成6によれば、上記構成1と同様の作用効果が奏されることとなる。 According to the configuration 6, the same effect as the configuration 1 is achieved.
以下に、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は、プラズマジェット点火プラグ(以下、「点火プラグ」と称す)1と、電圧印加装置61と、電力投入装置71とを備えた点火システム101の概略構成を示すブロック図である。尚、図1では、点火プラグ1を1つのみ示しているが、内燃機関ENには複数の気筒が設けられており、各気筒に対応して点火プラグ1が設けられている。そして、各点火プラグ1ごとに電圧印加装置61や電力投入装置71が設けられている。
Hereinafter, an embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an
点火プラグ1は、図2に示すように、筒状をなす絶縁体としての絶縁碍子2、これを保持する筒状の主体金具3などから構成されるものである。尚、図2では、点火プラグ1の軸線CL1方向を図面における上下方向とし、下側を点火プラグ1の先端側、上側を後端側として説明する。
As shown in FIG. 2, the spark plug 1 includes an
絶縁碍子2は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成されており、その外形部において、後端側に形成された後端側胴部10と、当該後端側胴部10よりも先端側において径方向外向きに突出形成された突出部11と、当該突出部11よりも先端側においてこれよりも細径に形成された中胴部12と、当該中胴部12よりも先端側においてこれより細径に形成された脚長部13とを備えている。加えて、絶縁碍子2のうち、突出部11、中胴部12、及び、脚長部13は、主体金具3の内部に収容されている。そして、中胴部12と脚長部13との連接部にはテーパ状の段部14が形成されており、当該段部14にて絶縁碍子2が主体金具3に係止されている。
As is well known, the
さらに、絶縁碍子2には、軸線CL1方向に延びる軸孔4が貫通形成されており、当該軸孔4の先端側には、棒状の中心電極5が挿設されている。中心電極5は、熱伝導性に優れる金属〔例えば、銅や銅合金、純ニッケル(Ni)等〕からなる内層5A、及び、Niを主成分とする合金〔例えば、インコネル(商標名)600や601等〕からなる外層5Bを備えている。さらに、中心電極5は、その先端部の中心に耐消耗性に優れる金属(例えば、イリジウムを主成分とする合金等)により形成された円柱状の凸部5Cを具備している。加えて、中心電極5は、全体として棒状(円柱状)をなし、その先端面が絶縁碍子2の先端よりも軸線CL1方向後端側に位置している。
Further, a
また、軸孔4の後端側には、絶縁碍子2の後端から突出した状態で端子電極6が挿入、固定されている。
A terminal electrode 6 is inserted and fixed on the rear end side of the
さらに、軸孔4の中心電極5と端子電極6との間には、導電性金属及びガラスを含む円柱状のガラスシール部9が配設されている。ガラスシール部9により、中心電極5と端子電極6とがそれぞれ電気的に接続されるとともに、絶縁碍子2に固定されている。
Further, a columnar glass seal portion 9 containing a conductive metal and glass is disposed between the
加えて、前記主体金具3は、低炭素鋼等の金属により筒状に形成されており、その外周面には点火プラグ1を燃焼装置(例えば、内燃機関や燃料電池改質器等)の取付孔に取付けるためのねじ部(雄ねじ部)15が形成されている。また、ねじ部15よりも後端側には鍔状の座部16が形成され、ねじ部15後端のねじ首17にはリング状のガスケット18が嵌め込まれている。さらに、主体金具3の後端側には、主体金具3を前記燃焼装置に取付ける際にレンチ等の工具を係合させるための断面六角形状の工具係合部19が設けられるとともに、後端部において絶縁碍子2を保持するための加締め部20が設けられている。併せて、主体金具3の先端部外周には、軸線CL1方向先端側に向けて突出する環状の係合部21が形成されており、当該係合部21の内周に対して後述する接地電極27が接合されるようになっている。
In addition, the metal shell 3 is formed in a cylindrical shape from a metal such as low carbon steel, and a spark plug 1 is attached to the outer peripheral surface of the metal shell 3 (for example, an internal combustion engine or a fuel cell reformer). A threaded portion (male threaded portion) 15 for attachment to the hole is formed. A flange-shaped
また、主体金具3の内周面には、絶縁碍子2を係止するためのテーパ状の段部22が設けられている。そして、絶縁碍子2は、主体金具3に対してその後端側から先端側に向かって挿入され、自身の段部14が主体金具3の段部22に係止された状態で、主体金具3の後端側開口部を径方向内側に加締めること、つまり上記加締め部20を形成することによって固定されている。尚、段部14,22間には、円環状の板パッキン23が介在されている。これにより、燃焼室内の気密性が保持され、絶縁碍子2の脚長部13と主体金具3の内周面との隙間に入り込む燃料ガスが外部に漏れないようになっている。
A
さらに、加締めによる密閉をより完全なものとするため、主体金具3の後端側においては、主体金具3と絶縁碍子2との間に環状のリング部材24,25が介在され、リング部材24,25間にはタルク(滑石)26の粉末が充填されている。すなわち、主体金具3は、板パッキン23、リング部材24,25及びタルク26を介して絶縁碍子2を保持している。
Further, in order to make the sealing by caulking more complete,
また、主体金具3の先端部には、Niを主成分とする合金により形成されるとともに、円板状をなす接地電極27が固定されている。接地電極27は、前記主体金具3の係合部21に係合された状態で、自身の外周部分が前記係合部21に対して溶接されることで接合されている。加えて、本実施形態では、接地電極27の全体が、絶縁碍子2の先端面から若干離間した状態とされている。
In addition, a
さらに、絶縁碍子2の先端部には、絶縁碍子2の内周面と中心電極5の先端側表面とにより形成され、先端側に向けて開口する空間であるキャビティ部31が形成されている。また、接地電極27には、接地電極27の板厚方向に貫通する円柱状の貫通孔28が形成されており、前記キャビティ部31は貫通孔28を介して外部に連通されている。尚、本実施形態では、貫通孔28の中心軸が、軸線CL1と一致するように構成されている。
Furthermore, a
点火プラグ1においては、中心電極5に対して電圧を印加することにより、中心電極5と接地電極27との間にて火花放電を生じさせた上で、両電極5,27に電力を投入し、放電状態を遷移させることで、キャビティ部31にてプラズマを発生させ、貫通孔28を通ってプラズマが噴出するようになっている。そこで次に、中心電極5に電圧を印加する前記電圧印加装置61と、両電極5,27間に電力を投入する電力投入装置71の構成について説明する。
In the spark plug 1, a voltage is applied to the
図1に示すように、電圧印加装置61は、逆流防止用のダイオード81を介して点火プラグ1(端子電極6)に接続されており、一次コイル62、二次コイル63、コア64、及び、イグナイタ65を備えている。
As shown in FIG. 1, the
一次コイル62は、前記コア64を中心に巻回されており、その一端が電力供給用のバッテリ66に接続されるとともに、その他端がイグナイタ65に接続されている。また、二次コイル63は、前記コア64を中心に巻回されており、その一端が一次コイル62及びバッテリ66間に接続されるとともに、その他端が点火プラグ1の端子電極6に接続されている。
The
加えて、イグナイタ65は、所定のトランジスタにより形成されており、所定のECU(電子制御装置)91から入力される通電信号に応じて、バッテリ66から一次コイル62に対する電力の供給及び供給停止を切り替える。点火プラグ1に電圧を印加する場合には、バッテリ66から一次コイル62に電流を流し、前記コア64の周囲に磁界を形成した上で、ECU91からの通電信号をオンからオフに切り替えることにより、バッテリ66から一次コイル62に対する電流を停止する。電流の停止により、前記コア64の磁界が変化し、自己誘電作用によって一次コイル62に一次電圧が生じるとともに、二次コイル63に正極性の高電圧(例えば、5kV〜30kV)が発生する。この正極性の高電圧が点火プラグ1の中心電極5に印加されることで、両電極5,27間において火花放電を発生させることができる。尚、前記通電信号をオンからオフとするタイミングを調節することで、火花放電を発生させるタイミングを変更することができる。また、本実施形態において、電圧印加装置61はフルトランジスタ方式であるが、電圧印加装置61はこれに限られるものではなく、例えば、CDI点火方式であってもよい。
In addition, the
加えて、前記電力投入装置71は、電源72と、コンデンサ73とを備えている。
In addition, the
電源72は、正極性の高電圧(例えば、500V〜1000V)を発生可能な電源回路であり、逆流防止用のダイオード82と電流調節用のコイル83とを介して、点火プラグ1に対して電気的に接続されている。加えて、前記コンデンサ73は、一端が接地されるとともに、他端が電源72に接続されており、当該電源72により充電が行われるように構成されている。そして、中心電極5及び接地電極27間にて火花放電が生じ、両電極5,27間が絶縁破壊されると、コンデンサ73に蓄積された電気エネルギーが点火プラグ1へと投入され、プラズマが生成されるようになっている。
The
次いで、図3等を参照しつつ、点火プラグ1の先端部の構成について詳述する。 Next, the configuration of the tip of the spark plug 1 will be described in detail with reference to FIG.
図3に示すように、軸孔4は、中心電極5の先端部が配置される大径部4Aと、当該大径部4Aよりも先端側に位置するとともに自身の内径が大径部4Aの内径よりも小さい小径部4Bとを有している。本実施形態において、大径部4A及び小径部4Bは、内径が軸線CL1方向に沿って一定となるように構成されている。また、小径部4Bは、その中心軸CL2が軸線CL1と一致するように構成されており、小径部4B及び貫通孔28はそれぞれ軸線CL1を中心軸とする構成となっている。尚、必ずしも大径部4Aや小径部4Bの内径を軸線CL1方向に沿って一定とする必要はない。従って、例えば、大径部4A等が先端側に向かって先細り形状、又は、先端側に向かって先太り形状をなし、大径部4A等の内周面が軸線CL1に対して若干(例えば、±5°程度)傾いていてもよい。
As shown in FIG. 3, the
加えて、中心電極5の先端は、絶縁碍子2の内周面から離間するとともに、小径部4Bの後端よりも軸線CL1方向後端側に位置している。
In addition, the tip of the
また、中心電極5の先端部は、凸部5Cの先端面と側面との間に形成され、キャビティ部31側に向けて凸のエッジ部32を有している。さらに、軸線CL1と直交する方向に沿った前記小径部4Bの中心軸CL2からエッジ部32までの最小距離a(mm)が、小径部4Bの半径r(mm)よりも小さくなるように構成されている。すなわち、図4に示すように、軸線CL1方向先端側から点火プラグ1を見た際に、小径部4Bの内周面よりも内周側にエッジ部32の少なくとも一部(本実施形態では、エッジ部32の全域)が存在するように構成されている。特に本実施形態では、a≦0.7rを満たすように構成されており、エッジ部32は、軸線CL1と直交する方向に沿って小径部4Bの内周面から十分に離間した位置に設けられている。
Moreover, the front-end | tip part of the
さらに、図3及び図4に示すように、貫通孔28の半径R(mm)は、小径部4Bの半径rよりも大きくなるように構成されており、特に本実施形態では、貫通孔28の内径から小径部4Bの内径を減じた値の1/2〔=R−r〕が、0.2mm以上0.5mm以下となるように構成されている。
Further, as shown in FIGS. 3 and 4, the radius R (mm) of the through
また、上述の通り、接地電極27は絶縁碍子2の先端面から若干離間した位置に配置されているため、接地電極27のうち貫通孔28を形成する部位27Kと絶縁碍子2の先端部との間には隙間が存在している。そして、本実施形態では、前記部位27Kから絶縁碍子2の先端部との間の軸線CL1に沿った距離c(mm)が、0.2mm以上0.5mm以下となるように構成されている。
Further, as described above, since the
加えて、エッジ部32と小径部4Bの後端との間の軸線CL1に沿った距離b(mm)が、0.2mm以上0.8mm以下となるように構成されている。
In addition, the distance b (mm) along the axis CL1 between the
以上詳述したように、本実施形態によれば、軸孔4は、大径部4Aと、自身の内径が大径部4Aの内径よりも小さい小径部4Bとを有している。従って、キャビティ部31の開口側(軸線方向先端側)に向けたプラズマの噴出圧力を増大させることができる。また、貫通孔28の内径が小径部4Bの内径よりも大きくされているため、貫通孔からプラズマをスムーズに噴出させることができる。その結果、上述の通り、プラズマの噴出圧力の増大が図られることと相俟って、キャビティ部開口からのプラズマの噴出長さを非常に大きなものとすることができ、優れた着火性を実現することができる。
As described above in detail, according to the present embodiment, the
さらに、本実施形態では、中心電極5に正極性の電圧が印加されることで火花放電が生じるように構成されるとともに、中心電極5の先端部には、小径部4Bの中心軸CL2からの最小距離aが小径部4Bの径(半径)rよりも小さくなるエッジ部32が形成されている。従って、火花放電に際して、接地電極27から、小径部4Bよりも内周側に位置するエッジ部32に向けて電子が飛ぶ(移動する)こととなる。その上で、本実施形態では、接地電極27のうち貫通孔28を形成する部位27Kと絶縁碍子2の先端部との間に隙間が設けられている。そのため、接地電極27の近傍において、接地電極27から飛んだ電子が絶縁碍子2の先端面や絶縁碍子の先端側内周面を這うといった事態が生じにくくなる。また、中心電極5の先端は、絶縁碍子2の内周面から離間し、かつ、小径部4Bの後端よりも後端側に位置しているため、エッジ部32に向けて飛ぶ電子が絶縁碍子2の内周面を這いにくくなる。
Furthermore, in the present embodiment, a spark discharge is generated when a positive voltage is applied to the
そして、上述の作用効果が相乗的に作用することで、火花放電は、軸線CL1方向に沿った広範囲において気中を通る経路にて生じやすくなる。さらに、絶縁碍子2の内周面を這う経路を含む経路にて火花放電が生じた場合であっても、接地電極27から、内周側に位置するエッジ部32に向けて電子が飛ぶため、火花放電は絶縁碍子2の内周面に押し付けられるような状態とはなりにくい。従って、火花放電に伴い、絶縁碍子2が急激に削れてしまう(チャンネリングが急速に進展してしまう)といった事態を極めて効果的に防止することができる。また、火花放電は主として気中にて生じるため、火花放電の経路をより分散化させることができる。これらの結果、絶縁碍子2の一部のみが深く削れてしまうといった事態が著しく生じにくくなる。従って、火花放電を繰り返し行った後であっても、火花放電を接地電極27のうち貫通孔28を形成する部位27Kと中心電極5との間でより確実に生じさせることができる。その結果、上述の優れた着火性を長期間に亘って維持することができる。
And by the above-mentioned action effect acting synergistically, spark discharge is likely to occur in a route passing through the air in a wide range along the direction of the axis CL1. Furthermore, even when spark discharge occurs in a path including a path that crawls the inner peripheral surface of the
さらに、本実施形態では、a≦0.7rを満たし、エッジ部32が、軸線CL1と直交する方向に沿って小径部4Bの内周面から十分に離間した位置に設けられている。従って、絶縁碍子2の内周面を這う火花放電が一層生じにくくなり、火花放電が軸線CL1方向に沿ったより広範囲において気中を通るようにして生じることとなる。その結果、チャンネリングの進展速度を一層低減させることができ、優れた着火性をより長期間に亘って維持することができる。
Further, in the present embodiment, a ≦ 0.7r is satisfied, and the
加えて、エッジ部32と小径部4Bの後端との間の距離bが0.2mm以上とされているため、エッジ部32及び小径部4Bの後端を結ぶ経路を通るような火花放電の発生をより確実に抑制することができる。その結果、チャンネリングの急激な進展をより確実に防止することができる。
In addition, since the distance b between the
また、距離bが0.8mm以下とされているため、放電電圧を十分に小さなものとすることができる。その結果、絶縁碍子2の内周面を這う形での火花放電の発生をより効果的に抑制することができ、チャンネリングの進展速度をさらに低減させることができる。
Moreover, since the distance b is 0.8 mm or less, the discharge voltage can be made sufficiently small. As a result, it is possible to more effectively suppress the occurrence of spark discharge in the shape of the inner peripheral surface of the
さらに、距離cが0.2mm以上とされているため、接地電極27から中心電極5へと電子が移動するときに、気中を通る経路にて電子が移動しやすくなる。その結果、火花放電が気中を通る経路にて一層生じやすくなり、チャンネリングの進展をより効果的に抑制することができる。
Furthermore, since the distance c is set to 0.2 mm or more, when electrons move from the
併せて、距離cが0.5mm以下とされているため、放電電圧を一層低減させることができ、絶縁碍子2の内周面を這う火花放電の発生を一層確実に抑制することができる。
In addition, since the distance c is set to 0.5 mm or less, the discharge voltage can be further reduced, and the occurrence of spark discharge that crawls the inner peripheral surface of the
加えて、本実施形態では、貫通孔28の内径から小径部4Bの内径を減じた値の1/2(=R−r)が0.2mm以上とされている。従って、貫通孔28からプラズマをよりスムーズに噴出させることができ、着火性を一層向上させることができる。
In addition, in this embodiment, ½ (= R−r) of a value obtained by subtracting the inner diameter of the
また、R−rが0.5mm以下とされているため、絶縁碍子2の先端面を這う火花放電が生じにくくなり、ひいては絶縁碍子2の内周面を這う火花放電の発生をより確実に抑制することができる。その結果、チャンネリングの進展を一層効果的に抑制することができる。
In addition, since Rr is 0.5 mm or less, it is difficult for spark discharge to crawl the tip surface of the
次いで、上記実施形態によって奏される作用効果を確認すべく、中心電極に負極性の高電圧を印加することで火花放電を生じさせる点火システムのサンプル(負極性サンプル)と、中心電極に正極性の高電圧を印加することで火花放電を生じさせる点火システムのサンプル(正極性サンプル)とを作製し、両サンプルについて、耐久性評価試験を行った。耐久性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、サンプルの点火プラグを所定のチャンバーに取付けた上で、チャンバー内の圧力を0.4MPaに設定し、所定の点火方式(例えば、CDI方式)により、周波数を60Hzとして(すなわち、毎分3600回の割合で)各サンプルに正極性又は負極性の電圧を印加した(このとき、電力投入装置から両電極間に電力を投入することなく、火花放電のみを生じさせた)。そして、100時間経過後に、中心電極に電圧を印加するとともに電力投入装置から電力を投入することで、プラズマ(フレーム)を噴出させるとともに、噴出したプラズマ(フレーム)を点火プラグの外周側から撮像した。次いで、得られた撮像画像を二値化処理することで、プラズマ(フレーム)部分を特定するとともに、当該部分の画素数(フレーム面積)を測定した。尚、フレーム面積が大きいほど、チャンネリングの抑制効果に優れ、初期の良好な着火性をより長期間に亘って維持可能であるといえる。 Next, in order to confirm the operational effects achieved by the above embodiment, a sample of an ignition system (negative sample) that generates a spark discharge by applying a negative high voltage to the center electrode, and a positive polarity on the center electrode An ignition system sample (positive polarity sample) that generates a spark discharge by applying a high voltage was prepared, and a durability evaluation test was performed on both samples. The outline of the durability evaluation test is as follows. That is, after attaching a sample spark plug to a predetermined chamber, the pressure in the chamber is set to 0.4 MPa, and the frequency is set to 60 Hz by a predetermined ignition method (for example, CDI method) (that is, 3600 per minute). A positive or negative voltage was applied to each sample (at this time) (At this time, only spark discharge was generated without applying power between the electrodes from the power application device). Then, after 100 hours have elapsed, a voltage is applied to the center electrode and power is supplied from the power input device, thereby ejecting plasma (frame) and imaging the ejected plasma (frame) from the outer peripheral side of the spark plug. . Next, by binarizing the obtained captured image, the plasma (frame) portion was specified, and the number of pixels (frame area) of the portion was measured. In addition, it can be said that the larger the frame area, the better the effect of suppressing channeling, and the better initial ignitability can be maintained over a longer period.
図7に、当該試験の試験結果を示す。尚、両サンプルともに、軸孔や中心電極等は、次の(1)〜(5)の構成を満たすこととした。
(1)軸孔は大径部と小径部とを有する。
(2)中心電極の先端が、絶縁碍子の内周面から離間するとともに、小径部の後端よりも後端側に位置する(つまり、b>0を満たす)。
(3)中心電極の先端部にエッジ部を設けられ、小径部の中心軸からエッジ部までの最小距離aが、小径部の半径rよりも小さくなる(つまり、a<rを満たす)。
(4)貫通孔の半径Rが、小径部の半径rよりも大きい(つまり、R>rを満たす)。
(5)接地電極のうち貫通孔を形成する部位と絶縁碍子の先端部との間に隙間が設けられる(つまり、c>0を満たす)。
FIG. 7 shows the test results of the test. In both samples, the shaft hole, the center electrode, and the like satisfy the following configurations (1) to (5).
(1) The shaft hole has a large diameter portion and a small diameter portion.
(2) The front end of the center electrode is separated from the inner peripheral surface of the insulator and is positioned on the rear end side with respect to the rear end of the small diameter portion (that is, b> 0 is satisfied).
(3) An edge portion is provided at the tip of the center electrode, and the minimum distance a from the central axis of the small diameter portion to the edge portion is smaller than the radius r of the small diameter portion (that is, a <r is satisfied).
(4) The radius R of the through hole is larger than the radius r of the small diameter portion (that is, R> r is satisfied).
(5) A gap is provided between the portion of the ground electrode where the through hole is formed and the tip of the insulator (that is, c> 0 is satisfied).
図7に示すように、中心電極に負極性の電圧を印加した負極性サンプルは、フレーム面積が比較的小さなものとなり、チャンネリングが生じやすいことが分かった。これは、次の理由によると考えられる。 As shown in FIG. 7, it was found that the negative sample in which a negative voltage was applied to the center electrode had a relatively small frame area and channeling was likely to occur. This is considered to be due to the following reason.
すなわち、図5(a)に示すように、中心電極に負極性の電圧を印加すると、火花放電〔図5(a),(b)中では、主な火花放電の経路を太線で示す〕に際して中心電極から接地電極に向けて電子が移動することとなる。このとき、中心電極の先端部よりも外周側に位置する接地電極に向けて電子が移動するため、火花放電は小径部の内周面全域に押し付けられるような状態で生じることとなり、小径部の内周面はより消耗しやすくなる。また、火花放電は小径部の内周面を這う経路で集中的に生じるため、絶縁碍子の消耗はさらに進みやすくなる。これらの結果、絶縁碍子の内周面が短時間で削れてしまう。そして、火花放電を繰り返し行った後には、図5(b)〔尚、図5(b)では、絶縁碍子の消耗のみを示し、中心電極や接地電極の消耗は図示していない〕に示すように、周方向に沿った一部において、絶縁碍子の内周面が深く削れた形状となり、火花放電は、この深く削れた部分を通って、接地電極の後端側面(絶縁碍子の先端面に対向する面)と中心電極との間にて生じることとなる。この状態になると、生成されたプラズマは貫通孔から噴出しにくくなり、フレーム面積は極端に小さくなってしまう。その結果、上述のような試験結果になったと考えられる。 That is, as shown in FIG. 5 (a), when a negative voltage is applied to the center electrode, a spark discharge [in FIG. 5 (a), (b), the main spark discharge path is indicated by a bold line] Electrons move from the center electrode toward the ground electrode. At this time, since electrons move toward the ground electrode located on the outer peripheral side of the tip of the center electrode, spark discharge occurs in a state where it is pressed over the entire inner peripheral surface of the small diameter portion. The inner peripheral surface is more easily consumed. In addition, since the spark discharge is intensively generated along the path around the inner peripheral surface of the small diameter portion, the insulator is more easily consumed. As a result, the inner peripheral surface of the insulator is scraped in a short time. Then, after repeatedly performing the spark discharge, as shown in FIG. 5 (b) (in FIG. 5 (b), only the consumption of the insulator is shown, and the consumption of the center electrode and the ground electrode is not shown). In addition, the inner peripheral surface of the insulator is deeply cut in a part along the circumferential direction, and the spark discharge passes through this deeply cut portion to the rear end side surface of the ground electrode (on the front end surface of the insulator). It occurs between the opposing surface) and the center electrode. In this state, the generated plasma is difficult to be ejected from the through hole, and the frame area becomes extremely small. As a result, it is considered that the above test results were obtained.
これに対して、図7に示すように、中心電極に正極性の電圧を印加した正極性サンプルは、フレーム面積が格段に大きなものとなり、非常に優れたチャンネリングの抑制効果を有することが明らかとなった。これは、次の理由によると考えられる。 On the other hand, as shown in FIG. 7, the positive polarity sample in which the positive polarity voltage is applied to the center electrode has a remarkably large frame area, and has an excellent channeling suppression effect. It became. This is considered to be due to the following reason.
すなわち、図6(a)に示すように、中心電極に正極性の電圧を印加すると、火花放電〔図6(a),(b)中では、主な火花放電の経路を太線で示す〕に際して接地電極から中心電極に向けて電子が移動することとなる。このとき、接地電極よりも内周側に位置する中心電極(エッジ部)に向けて電子は移動するため、火花放電は小径部の内周面を這う経路ではなく、軸線方向に沿った広範囲において気中を通る経路にて生じやすくなる。また、小径部の内周面を這う経路を含む経路にて火花放電が生じた場合であっても、火花放電は小径部の内周面に押し付けられるような状態ではないため、小径部の内周面は消耗しにくい。また、主として気中にて火花放電が生じるため、火花放電の経路はより分散化し、絶縁碍子の一部のみが深く削れてしまうといった事態も生じにくい。これらの結果、火花放電を繰り返し行った後であっても、図6(b)〔尚、図6(b)では、絶縁碍子の消耗のみを示し、中心電極や接地電極の消耗は図示していない〕に示すように、絶縁碍子の内周面の消耗は効果的に抑制され、火花放電は、接地電極のうち貫通孔を形成する部位と中心電極との間で生じ続けることとなる。この状態では、生成されたプラズマは貫通孔からスムーズに噴出するため、フレーム面積は十分に大きなものとなる。その結果、上述のような試験結果になったと考えられる。 That is, as shown in FIG. 6 (a), when a positive voltage is applied to the center electrode, spark discharge [the main spark discharge path is indicated by a bold line in FIGS. 6 (a) and (b)]. Electrons move from the ground electrode toward the center electrode. At this time, since electrons move toward the center electrode (edge part) located on the inner peripheral side of the ground electrode, the spark discharge is not a path that crawls the inner peripheral surface of the small diameter part, but in a wide range along the axial direction. It tends to occur on a route that passes through the air. In addition, even when a spark discharge occurs in a path including a path that crawls the inner peripheral surface of the small diameter portion, the spark discharge is not pressed against the inner peripheral surface of the small diameter portion. The peripheral surface is hard to wear out. In addition, since spark discharge occurs mainly in the air, the spark discharge path is more dispersed, and it is difficult to cause a situation in which only a part of the insulator is deeply shaved. As a result, even after repeated discharge of sparks, FIG. 6 (b) [In FIG. 6 (b), only consumption of the insulator is shown, and consumption of the center electrode and the ground electrode is not shown. As shown in FIG. 4, the consumption of the inner peripheral surface of the insulator is effectively suppressed, and spark discharge continues to occur between the portion of the ground electrode where the through hole is formed and the center electrode. In this state, the generated plasma is smoothly ejected from the through hole, so that the frame area is sufficiently large. As a result, it is considered that the above test results were obtained.
上記試験の結果より、耐チャンネリング性の向上を図り、良好な着火性を長期間に亘って維持するという観点から、上述した(1)〜(5)の構成を満たしつつ、中心電極に正極性の電圧を印加することで、火花放電が生じるように構成することが好ましいといえる。 From the results of the above test, from the viewpoint of improving channeling resistance and maintaining good ignitability over a long period of time, while satisfying the above-described configurations (1) to (5), the center electrode is positive. It can be said that it is preferable that a spark discharge is generated by applying a positive voltage.
次いで、小径部の半径rを0.25mm又は0.5mmとした上で、半径rに対するエッジ部から小径部の中心軸までの最短距離a(mm)の割合(a/r)を種々変更した点火システムのサンプルを作製し、各サンプルについて、上述の耐久性評価試験を行った。 Next, after changing the radius r of the small diameter portion to 0.25 mm or 0.5 mm, the ratio (a / r) of the shortest distance a (mm) from the edge portion to the central axis of the small diameter portion with respect to the radius r was variously changed. Samples of the ignition system were prepared, and the durability evaluation test described above was performed on each sample.
図8に、当該試験の結果を示す。尚、図8では、半径rを0.25mmとしたサンプルの試験結果を丸印で示し、半径rを0.5mmとしたサンプルの試験結果を三角印で示す(以下、図9〜図11において同様)。また、各サンプルともに、中心電極に対して正極性の電圧が印加されるように構成するとともに、少なくとも上述した(1),(2),(4),(5)を満たすように構成した。 FIG. 8 shows the results of the test. In FIG. 8, the test results of the sample with the radius r of 0.25 mm are indicated by circles, and the test results of the sample with the radius r of 0.5 mm are indicated by triangles (hereinafter, in FIGS. 9 to 11). The same). In addition, each sample was configured such that a positive voltage was applied to the center electrode, and at least (1), (2), (4), (5) described above was satisfied.
図8に示すように、a/rを0.7以下としたサンプル、すなわち、a≦0.7rを満たすサンプルは、フレーム面積が非常に大きなものとなり、チャンネリングをより効果的に抑制できることが確認された。これは、エッジ部を軸線と直交する方向に沿って小径部の内周面から十分に離間した位置に設けたことで、絶縁碍子の内周面を這う火花放電が一層生じにくくなり、火花放電が軸線方向に沿ったより広範囲において気中を通ることとなったためであると考えられる。 As shown in FIG. 8, a sample in which a / r is 0.7 or less, that is, a sample that satisfies a ≦ 0.7r has a very large frame area, and can effectively suppress channeling. confirmed. This is because the edge portion is provided at a position sufficiently separated from the inner peripheral surface of the small-diameter portion along the direction orthogonal to the axis, so that the spark discharge that crawls the inner peripheral surface of the insulator is less likely to occur. This is considered to be because the air passes through the air in a wider range along the axial direction.
上記試験の結果より、耐チャンネリング性の更なる向上を図るべく、a≦0.7rを満たすことがより好ましいといえる。 From the results of the above test, it can be said that it is more preferable to satisfy a ≦ 0.7r in order to further improve the channeling resistance.
次いで、小径部の半径rを0.25mm又は0.5mmとした上で、エッジ部と小径部の後端との間の距離b(mm)を種々変更した点火システムのサンプルを作製し、各サンプルについて、上述の耐久性評価試験を行った。 Next, after setting the radius r of the small-diameter portion to 0.25 mm or 0.5 mm, samples of the ignition system in which the distance b (mm) between the edge portion and the rear end of the small-diameter portion are variously changed are prepared. The sample was subjected to the durability evaluation test described above.
図9に、当該試験の結果を示す。尚、各サンプルともに、中心電極に対して正極性の電圧が印加されるように構成するとともに、少なくとも上述した(1),(3)〜(5)を満たすように構成した。 FIG. 9 shows the results of the test. Each sample was configured such that a positive voltage was applied to the center electrode, and at least (1), (3) to (5) described above were satisfied.
図9に示すように、距離bを0.2mm以上0.8mm以下としたサンプルは、フレーム面積が非常に大きなものとなり、一層優れた耐チャンネリング性を有することが分かった。これは、次の(a)及び(b)によると考えられる。
(a)エッジ部と小径部の後端とはともに電界強度が比較的高くなるため、両者間を結ぶ経路を含む経路での火花放電が比較的生じやすいが、距離bを0.2mm以上とし、エッジ部と小径部の後端とを十分に離間させたことで、両者を結ぶ経路を含む経路での火花放電がより確実に抑制され、ひいては絶縁碍子の内周面を這う経路での火花放電がより確実に抑制されたこと。
(b)中心電極及び接地電極間で火花放電を生じさせるために必要は電圧(放電電圧)が大きい場合には、絶縁抵抗が比較的小さい経路(すなわち、絶縁碍子の内周面を這う経路を含む経路)にて火花放電が生じやすくなるが、距離bを0.8mm以下としたことで、放電電圧が十分に小さなものとなり、ひいては絶縁碍子の内周面を這う形での火花放電がより生じにくくなったこと。
As shown in FIG. 9, it was found that the sample having the distance b of 0.2 mm or more and 0.8 mm or less has a very large frame area and has further excellent channeling resistance. This is considered to be due to the following (a) and (b).
(A) Since the electric field strength is relatively high at both the edge portion and the rear end of the small-diameter portion, spark discharge is likely to occur in a route including a route connecting the two, but the distance b is set to 0.2 mm or more. By sufficiently separating the edge portion and the rear end of the small-diameter portion, spark discharge in the route including the route connecting the two is more reliably suppressed, and as a result, the spark in the route that crawls the inner peripheral surface of the insulator. Discharge was suppressed more reliably.
(B) When a voltage (discharge voltage) necessary for generating a spark discharge between the center electrode and the ground electrode is large, a path with a relatively low insulation resistance (that is, a path over the inner peripheral surface of the insulator) Spark discharge is likely to occur in the route including), but by setting the distance b to 0.8 mm or less, the discharge voltage becomes sufficiently small, and moreover spark discharge in the form of scooping the inner peripheral surface of the insulator It became difficult to occur.
上記試験の結果より、チャンネリングを一層確実に抑制すべく、距離bを0.2mm以上0.8mm以下とすることがより好ましいといえる。 From the results of the above test, it can be said that the distance b is more preferably 0.2 mm or more and 0.8 mm or less in order to more reliably suppress channeling.
次に、小径部の半径rを0.25mm又は0.5mmとした上で、接地電極のうち貫通孔を形成する部位と絶縁碍子の先端部との間の距離c(mm)を種々変更した点火システムのサンプルを作製し、各サンプルについて、上述の耐久性評価試験を行った。 Next, the radius r of the small diameter portion was set to 0.25 mm or 0.5 mm, and the distance c (mm) between the portion of the ground electrode where the through hole was formed and the tip portion of the insulator was variously changed. Samples of the ignition system were prepared, and the durability evaluation test described above was performed on each sample.
図10に、当該試験の結果を示す。尚、各サンプルともに、中心電極に対して正極性の電圧が印加されるように構成するとともに、少なくとも上述した(1)〜(4)を満たすように構成した。 FIG. 10 shows the results of the test. Each sample was configured so that a positive voltage was applied to the center electrode, and at least (1) to (4) described above were satisfied.
図10に示すように、距離cを0.2mm以上0.5mm以下としたサンプルは、フレーム面積が著しく大きなものとなり、チャンネリングをより効果的に抑制できることが明らかとなった。これは、次の(c)及び(d)によると考えられる。
(c)距離cを0.2mm以上としたことで、接地電極から中心電極へと電子が移動するときに、気中を通る経路にて電子が移動しやすくなり、気中を含む経路にて火花放電が生じやすくなったこと。
(d)距離dを0.5mm以下としたことで、放電電圧が十分に小さなものとなり、絶縁碍子の内周面を這う形での火花放電がより生じにくくなったこと。
As shown in FIG. 10, it was revealed that the sample in which the distance c is 0.2 mm or more and 0.5 mm or less has a significantly large frame area and can more effectively suppress channeling. This is considered to be due to the following (c) and (d).
(C) By setting the distance c to 0.2 mm or more, when electrons move from the ground electrode to the center electrode, the electrons easily move along the path through the air, and the path including the air Spark discharge is likely to occur.
(D) By setting the distance d to 0.5 mm or less, the discharge voltage becomes sufficiently small, and spark discharge in the form of scooping the inner peripheral surface of the insulator is less likely to occur.
上記試験の結果より、耐チャンネリング性の一層の向上を図るべく、距離cを0.2mm以上0.5mm以下とすることがより好ましいといえる。 From the results of the above test, it can be said that the distance c is more preferably 0.2 mm or more and 0.5 mm or less in order to further improve the channeling resistance.
次いで、小径部の半径rを0.25mm又は0.5mmとした上で、貫通孔の半径Rを変更することにより、R−r(mm)を種々異なるものとした点火システムのサンプルを作製し、各サンプルについて、上述の耐久性評価試験を行った。 Next, by setting the radius r of the small diameter portion to 0.25 mm or 0.5 mm and changing the radius R of the through hole, samples of the ignition system having different Rr (mm) were prepared. Each sample was subjected to the durability evaluation test described above.
図11に、当該試験の結果を示す。尚、各サンプルともに、中心電極に対して正極性の電圧が印加されるように構成するとともに、少なくとも上述した(1)〜(3),(5)を満たすように構成した。 FIG. 11 shows the results of the test. Each sample was configured so that a positive voltage was applied to the center electrode, and at least satisfied (1) to (3) and (5) described above.
図11に示すように、R−rを0.2mm以上0.5mm以下としたサンプルは、一層優れたチャンネリングの抑制効果を有することが確認された。これは、次の(e)及び(f)によると考えられる。
(e)R−rを0.2mm以上としたことで、貫通孔からプラズマがよりスムーズに噴出可能となったこと。
(f)R−rを0.5mm以下としたことで、絶縁碍子の先端面及び内周面を這う形での火花放電が生じにくくなり、気中を通る火花放電がより生じやすくなったこと。
As shown in FIG. 11, it was confirmed that the sample having Rr of 0.2 mm or more and 0.5 mm or less has a more excellent channeling suppression effect. This is considered to be due to the following (e) and (f).
(E) Since Rr is 0.2 mm or more, plasma can be ejected more smoothly from the through hole.
(F) By setting Rr to 0.5 mm or less, it becomes difficult to generate spark discharge in the form of scooping the tip surface and inner peripheral surface of the insulator, and spark discharge passing through the air is more likely to occur. .
上記試験の結果より、チャンネリングを一層効果的に抑制するために、貫通孔の内径から小径部の内径を減じた値の1/2(つまり、R−r)を0.2mm以上0.5mm以下とすることがより好ましいといえる。 From the results of the above test, in order to suppress channeling more effectively, ½ of the value obtained by subtracting the inner diameter of the small diameter portion from the inner diameter of the through hole (that is, R−r) is 0.2 mm or more and 0.5 mm. It can be said that the following is more preferable.
尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。 In addition, it is not limited to the description content of the said embodiment, For example, you may implement as follows. Of course, other application examples and modification examples not illustrated below are also possible.
(a)上記実施形態では、中心電極5の先端部に凸部5Cを設けることにより、エッジ部32が形成されているが、エッジ部を形成するための手法はこれに限定されるものではない。従って、例えば、図12(a),(b)に示すように、中心電極5の先端部に、凹部5D,5Eを設けることにより、中心電極5の先端面と凹部5D,5Eの側面との間にエッジ部33,34が形成されるように構成してもよい。
(A) In the above embodiment, the
また、凹部を設けることによりエッジ部を形成する場合には、図13に示すように、中心電極5の先端面5Fが、外周側に向けて軸線CL1方向後端側に傾斜するように構成してもよい。この場合には、エッジ部33の電界強度をより高めることができ、エッジ部33と接地電極27との間で火花放電をより確実に生じさせることができる。また、中心電極5の先端面5Fのうち絶縁碍子2内周面の近傍に位置する外周側部位は、接地電極27からより離間することとなる。そのため、前記外周側部位と接地電極27との間における、絶縁碍子2の内周面を這う火花放電の発生をより確実に防止することができ、耐チャンネリング性を一層高めることができる。
Further, when the edge portion is formed by providing the concave portion, as shown in FIG. 13, the
(b)上記実施形態において、凸部5Cは円柱状をなしているが、図14に示すように、凸部5Gが、先端側に位置する円柱状の放電部5G1と、放電部5G1より後端側に位置し、自身の外径が放電部5G1の外径よりも大きい基部5G2とを有するように構成してもよい。そして、放電部5G1の先端面と側面との間に、エッジ部35を形成することとしてもよい。尚、この場合には、基部5G2の外周面全域を湾曲面状とすることで、エッジ部35と接地電極27との間で火花放電がより確実に生じるようにしてもよい。
(B) In the above embodiment, the
(c)図15(a),(b)に示すように、例えば、ローレット加工等の凹凸形成加工を施すことにより、中心電極5の先端面に凹凸部5Hを設け、当該凹凸部5Hの突起部分によりエッジ部36を構成することとしてもよい。
(C) As shown in FIGS. 15 (a) and 15 (b), for example, by performing an unevenness forming process such as knurling, an
(d)上記実施形態では、軸線CL1と直交する方向に沿った小径部4Bの中心軸CL2からエッジ部32までの距離は、周方向全域において一定となるように構成されているが、例えば、凸部5Cを角柱状とすること等により、周方向においてエッジ部から中心軸CL2までの距離が異なるように構成してもよい。尚、この場合には、エッジ部及び中心軸CL2間の最小距離aが、小径部4Bの半径よりも小さければよい。すなわち、軸線CL1方向先端側から点火プラグ1を見た際に、小径部4Bの内周面よりも内周側にエッジ部の少なくとも一部が存在するように構成されていればよい。
(D) In the above embodiment, the distance from the central axis CL2 of the
(e)上記実施形態では、接地電極27の全域が絶縁碍子2の先端面から離間するように構成されているが、接地電極27の後端側面に突起等を設けることにより、接地電極27の一部が絶縁碍子2の先端面に接触するように構成してもよい。この場合には、接地電極27の熱を絶縁碍子2へと効率よく伝導させることができ、接地電極27の耐消耗性を向上させることができる。尚、前記突起は、接地電極27と一体であってもよいし、別体であってもよい。
(E) In the above embodiment, the entire area of the
(f)上記実施形態において、凸部5Cは外層5Bと異なる材料により形成されているが、凸部5C及び外層5Bを同一材料により形成してもよい。
(F) In the above embodiment, the
(g)上記実施形態では、工具係合部19は断面六角形状とされているが、工具係合部19の形状に関しては、このような形状に限定されるものではない。例えば、Bi−HEX(変形12角)形状〔ISO22977:2005(E)〕等とされていてもよい。
(G) In the above embodiment, the
1…点火プラグ(プラズマジェット点火プラグ)、2…絶縁碍子(絶縁体)、3…主体金具、4…軸孔、4A…大径部、4B…小径部、5…中心電極、27…接地電極、28…貫通孔、31…キャビティ部、32…エッジ部、61…電圧印加装置、101…点火システム、CL1…軸線、CL2…(小径部の)中心軸。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Spark plug (plasma jet spark plug), 2 ... Insulator (insulator), 3 ... Main metal fitting, 4 ... Shaft hole, 4A ... Large diameter part, 4B ... Small diameter part, 5 ... Center electrode, 27 ... Ground electrode , 28 ... through-hole, 31 ... cavity part, 32 ... edge part, 61 ... voltage applying device, 101 ... ignition system, CL1 ... axis, CL2 ... center axis (small diameter part).
Claims (6)
先端面が前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向後端側に位置するようにして前記軸孔内に挿設された中心電極と、
前記絶縁体の外周に配置された主体金具と、
前記主体金具の先端部に固定された接地電極と、
前記絶縁体の内周面及び前記中心電極の先端側表面により形成されたキャビティ部と、
前記接地電極に形成され、前記キャビティ部と外部とを連通する貫通孔と、を備えるプラズマジェット点火プラグであって、
正極性の電圧が印加される前記中心電極と、前記接地電極との間にて火花放電を生じさせるとともに、
前記軸孔は、前記中心電極の先端部が配置される大径部と、前記大径部よりも先端側に位置するとともに自身の内径が前記大径部の内径よりも小さい小径部とを有し、
前記中心電極の先端は、前記絶縁体の内周面から離間し、かつ、前記小径部の後端から前記軸線方向後端側に位置し、
前記中心電極の前記先端部は、前記キャビティ部側に向けて凸のエッジ部を有するとともに、前記軸線と直交する方向に沿った前記小径部の中心軸から前記エッジ部までの最小距離が、前記小径部の径よりも小さく、
前記貫通孔の内径は、前記小径部の内径よりも大きく、
前記接地電極のうち前記貫通孔を形成する部位と前記絶縁体の先端部との間に隙間が設けられていることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。 An insulator having an axial hole extending in the axial direction;
A center electrode inserted into the shaft hole so that a tip surface is located on the rear end side in the axial direction from the tip of the insulator;
A metal shell disposed on the outer periphery of the insulator;
A ground electrode fixed to the tip of the metal shell,
A cavity portion formed by the inner peripheral surface of the insulator and the tip-side surface of the center electrode;
A plasma jet ignition plug comprising a through hole formed in the ground electrode and communicating with the cavity and the outside,
While causing a spark discharge between the center electrode to which a positive voltage is applied and the ground electrode,
The shaft hole has a large-diameter portion in which the tip portion of the center electrode is disposed, and a small-diameter portion that is located on the tip side of the large-diameter portion and whose inner diameter is smaller than the inner diameter of the large-diameter portion. And
The tip of the center electrode is spaced from the inner peripheral surface of the insulator, and is located on the rear end side in the axial direction from the rear end of the small diameter portion,
The distal end portion of the center electrode has a convex edge portion toward the cavity portion side, and a minimum distance from the central axis of the small diameter portion along the direction orthogonal to the axis to the edge portion is Smaller than the diameter of the small diameter part,
The inner diameter of the through hole is larger than the inner diameter of the small diameter portion,
A plasma jet ignition plug, wherein a gap is provided between a portion of the ground electrode where the through hole is formed and a tip portion of the insulator.
先端面が前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向後端側に位置するようにして前記軸孔内に挿設された中心電極と、
前記絶縁体の外周に配置された主体金具と、
前記主体金具の先端部に固定された接地電極と、
前記絶縁体の内周面及び前記中心電極の先端側表面により形成されたキャビティ部と、
前記接地電極に形成され、前記キャビティ部と外部とを連通する貫通孔と、を備えるプラズマジェット点火プラグ、及び、
前記中心電極に電圧を印加する電圧印加装置を具備する点火システムであって、
前記電圧印加装置から前記中心電極に対して正極性の電圧が印加されることで、前記中心電極と前記接地電極との間にて火花放電を生じさせるとともに、
前記軸孔は、前記中心電極の先端部が配置される大径部と、前記大径部よりも先端側に位置するとともに自身の内径が前記大径部の内径よりも小さい小径部とを有し、
前記中心電極の先端は、前記絶縁体の内周面から離間し、かつ、前記小径部の後端から前記軸線方向後端側に位置し、
前記中心電極の前記先端部は、前記キャビティ部側に向けて凸のエッジ部を有するとともに、前記軸線と直交する方向に沿った前記小径部の中心軸から前記エッジ部までの最小距離が、前記小径部の径よりも小さく、
前記貫通孔の内径は、前記小径部の内径よりも大きく、
前記接地電極のうち前記貫通孔を形成する部位と前記絶縁体の先端部との間に隙間が設けられていることを特徴とする点火システム。 An insulator having an axial hole extending in the axial direction;
A center electrode inserted into the shaft hole so that a tip surface is located on the rear end side in the axial direction from the tip of the insulator;
A metal shell disposed on the outer periphery of the insulator;
A ground electrode fixed to the tip of the metal shell,
A cavity portion formed by the inner peripheral surface of the insulator and the tip-side surface of the center electrode;
A plasma jet ignition plug provided with a through hole formed in the ground electrode and communicating with the cavity portion and the outside; and
An ignition system comprising a voltage application device for applying a voltage to the center electrode,
By applying a positive voltage from the voltage application device to the center electrode, a spark discharge is generated between the center electrode and the ground electrode,
The shaft hole has a large-diameter portion in which the tip portion of the center electrode is disposed, and a small-diameter portion that is located on the tip side of the large-diameter portion and whose inner diameter is smaller than the inner diameter of the large-diameter portion. And
The tip of the center electrode is spaced from the inner peripheral surface of the insulator, and is located on the rear end side in the axial direction from the rear end of the small diameter portion,
The distal end portion of the center electrode has a convex edge portion toward the cavity portion side, and a minimum distance from the central axis of the small diameter portion along the direction orthogonal to the axis to the edge portion is Smaller than the diameter of the small diameter part,
The inner diameter of the through hole is larger than the inner diameter of the small diameter portion,
An ignition system, wherein a gap is provided between a portion of the ground electrode where the through hole is formed and a tip of the insulator.
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