等離子流火花塞的製作方法

2023-10-06 13:42:14 5

專利名稱：等離子流火花塞的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種形成等離子體並對混合氣體進行點火的內燃機用等離子流火花
O
背景技術：
一直以來，在作為汽車用的內燃機的發動機的火花塞中，使用通過火花放電對混合氣體進行點火的火花塞。近年來，要求內燃機的進一步的高輸出化、低燃費化。因此，燃燒擴展迅速、能夠對點火界限空燃比較高的稀薄混合氣體點火的等離子流火花塞的開發獲得進展。等離子流火花塞具有以下構造中心電極和接地電極之間的火花放電間隙周邊用陶瓷等絕緣件包圍，形成較小容積的放電空間(腔室)。舉例說明等離子流火花塞的點火方式的一例，在對混合氣體進行點火時，首先向中心電極和接地電極之間施加高電壓，進行火花放電。通過此時產生的絕緣破壞，在中心電極和接地電極之間能夠流動較低電壓的電流。進一步通過向中心電極和接地電極之間提供電力，而使放電狀態轉變，在腔室內形成等離子體。如上形成的等離子體通過開口(所謂孔(Orifice))噴射時，對混合氣體進行點火。因此在現有技術中，例如在下述專利文獻1所述的等離子流火花塞中，使絕緣件的內壁為階梯形狀，在腔室內設置限流，從而以50 200mJ左右的能量可獲得充分的點火性能。並且，在下述專利文獻2所述的等離子流火花塞中，使腔室內的容積為IOmm3以下，腔室內的長度和直徑的比(長度/直徑)為2以上，中心電極和接地電極的距離為3mm以下， 通過加長等離子體噴射長度而提高點火性能。專利文獻1 特開2007-287666號公報專利文獻2 特開2006-294257號公報

發明內容
但在上述專利文獻1所述的等離子流火花塞中，因絕緣件的內壁有階梯，所以溝槽(因放電等引起的槽)發展加快，持續使用時，出現點火性明顯降低的問題。並且，在上述專利文獻2所述的等離子流火花塞中，考慮到中心電極和接地電極的距離為3mm以下，則中心電極的直徑Φ為1.5mm以下，中心電極的形狀變得細長，因此中心電極前端的降溫性(熱的易下降性)變差，存在耐久性差的問題。具體而言，當中心電極前端的降溫惡化時，前端被削去，易於消耗，並且在高溫狀態下發生火花放電時，前端易被氧化。因此，本發明的目的是解決上述現有技術中的問題點，提供一種可抑制溝槽發展、 降溫性良好的等離子流火花塞。本發明用於解決上述課題的至少一部分，可作為以下方式或適用例實現。(適用例1)一種等離子流火花塞，具有具有沿著軸線方向的軸孔的筒狀的絕緣部件；收容在該絕緣部件的上述軸孔內的棒狀的中心電極；以及配置在上述絕緣部件的前端的板狀的接地電極，該等離子流火花塞的特徵在於，上述中心電極具有主體部；前端部，該前端部具有比該主體部的外徑小的外徑，和上述主體部相比位於前端側；以及最前端部，該最前端部具有比上述前端部的外徑小的外徑，和上述前端部相比位於前端側，在上述絕緣部件中， 形成上述軸孔的部分具有收容部，具有比上述中心電極的上述主體部的外徑小的內徑，至少收容上述中心電極的上述前端部；以及小徑部，具有比上述中心電極的上述前端部的外徑小、且比上述收容部的內徑小的內徑，和上述收容部相比位於前端側，至少配置有上述中心電極的上述最前端部，上述中心電極的前端在上述絕緣部件的上述小徑部內，和上述絕緣部件的前端相比位於後側，與上述小徑部的內周共同形成腔室部，上述接地電極具有用於將上述腔室部和外部氣體連通的開口部，上述小徑部的上述軸線方向的形狀是直線狀。(適用例2)一種等離子流火花塞，其特徵在於，在上述絕緣部件中，形成上述軸孔的部分還具有位於上述收容部和上述小徑部之間的第1階梯部，在上述接地電極中，在上述開口部的內周直徑小於上述中心電極的上述前端部的外徑、且大於上述小徑部的內徑時，從上述接地電極的上述開口部的內周開始沿著上述軸線方向劃第1直線時，設上述第1直線和上述絕緣部件的前端相交的第1交點、與上述第1直線和上述絕緣部件的上述第1階梯部相交的第2交點之間的距離為a，在上述接地電極中，在上述開口部的內周直徑小於上述中心電極的上述前端部的外徑、且小於上述小徑部的內徑時，設上述小徑部的內周的上述軸線方向的長度為a，從上述中心電極的上述前端部的外周開始沿著上述軸線方向劃第2直線時， 設上述第2直線和上述絕緣部件的上述第1階梯部相交的第3交點、與上述第2直線和上述絕緣部件的前端相交的第4交點之間的距離為b，將上述接地電極和上述中心電極的上述前端部在上述軸線方向投影時，設上述接地電極和上述中心電極的上述前端部重疊的面積為c時，滿足如下關係0. 2 ( (2c)/(a+b) ( 4。(適用例3)根據適用例1或適用例2所述的等離子流火花塞，其特徵在於，上述接地電極中的上述開口部的內徑相對於上述絕緣部件中的上述小徑部前端的內徑在75 120%的範圍。(適用例4)根據適用例1至適用例3的任意一項所述的等離子流火花塞，其特徵在於，上述中心電極作為負極使用。(適用例5)根據適用例1至適用例4的任意一項所述的等離子流火花塞，其特徵在於，在上述軸線方向上，上述最前端部和上述小徑部的重疊量是0. 5 3mm。(適用例6)根據權利要求1至權利要求5的任意一項所述的等離子流火花塞，其特徵在於， 上述中心電極還具有位於上述前端部和上述最前端部之間的第2階梯部，設上述第1階梯部和上述收容部所成的角度為θ 1、上述第2階梯和上述前端部所成的角度為θ 2時，θ 1 < θ 2。(適用例7)根據適用例1至適用例6的任意一項所述的等離子流火花塞，其特徵在於，設上述
5腔室部的容積為R、上述腔室部沿著上述軸線方向的長度為S、上述小徑部內徑為N時，上述容積R是R < 2. 5mm3，且上述長度S和上述內徑N的比是S/N彡0. 3。(適用例8)根據適用例1至適用例7的任意一項所述的等離子流火花塞，其特徵在於，上述第 1階梯部和上述第2階梯部之間具有間隙。(適用例9)根據適用例1至適用例8的任意一項所述的等離子流火花塞，其特徵在於，在上述中心電極中，至少其前端由熔點M00°c以上的純金屬或合金構成。(適用例10)根據適用例9所述的等離子流火花塞，其特徵在於，上述中心電極中，至少其前端由鎢或鎢合金構成。此外，上述各種方式或適用例可適當組合，或省略構成的一部分。發明的效果在適用例1的等離子流火花塞中，絕緣部件中的小徑部的軸線方向的形狀是直線狀。這樣一來，腔室部內的放電路徑是直線，因此與放電路徑是曲線或L字型時相比，可減弱到絕緣部件內部的電場強度，可抑制溝槽的發展。並且，中心電極的外徑按照最前端部、前端部、主體部的順序變大，因此可將中心電極前端所受的熱從最前端部向著主體部高效傳導，可提高中心電極的降溫性。結果可確保中心電極的耐久性。在適用例2的等離子流火花塞中，以使如上定義的距離a、b及面積c滿足 0.2^ (2c)/(a+b) <4的關係的方式，設定包圍腔室部周邊的部分的形狀。通過設定這樣的形狀，在絕緣部件中，被中心電極和接地電極之間夾持的部分(換言之，是包圍腔室部周邊的部分)的靜電容量可以是適當的值，從而可防止所謂的等離子體脫離。在適用例3的等離子流火花塞中，接地電極中的開口部的內徑相對絕緣部件中的小徑部前端的內徑設定為75 120%的範圍。通過設定在該範圍內，即使產生溝槽，在腔室部中，在小徑部的內周上基本均勻地產生溝槽，因此可使溝槽發展均勻化，可提高等離子流火花塞的耐久性，良好地保持點火性能。在適用例4的等離子流火花塞中，將中心電極作為負極使用。通過這樣使用，絕緣部件中的小徑部的前端部分難於被溝槽削去。並且，在小徑部的內周中，中心電極的前端附近易被削去，在被如此削去時，放電路徑成為從外側向內側的形態，抑制了溝槽發展造成的點火性下降。在適用例5的等離子流火花塞中，中心電極的最前端部和絕緣部件的小徑部的重疊量為0. 5 3mm。通過設定為這一範圍，放電方式成為沿面放電，因此可抑制放電電壓的增加。在適用例6的等離子流火花塞中，絕緣部件中的第1階梯部和收容部所成的角度為θ 1、中心電極中的第2階梯部和前端部所成的角度為θ 2時，滿足Θ1< θ 2的關係。 這樣一來，可抑制絕緣部件中的第1階梯部及小徑部的消耗，並可抑制中心電極的前端的降溫惡化，並且防止階梯部之間滯留燃燒氣體。在適用例7的等離子流火花塞中，腔室部的容積R是RS 2. 5mm3，且腔室部的長度S和小徑部的內徑N的比是S/N≥0.3地設定。通過設定為這一範圍，可使腔室部的形狀最佳化，使點火性良好。在適用例8的等離子流火花塞中，在絕緣部件中的第1階梯部和中心電極中的第 2階梯部之間設置間隙。通過設置該間隙，絕緣部件的前端部分的熱可不逃逸到中心電極， 從而可抑制中心電極前端的溫度上升。在適用例9的等離子流火花塞中，使中心電極的至少前端由熔點M00°C以上的純金屬或合金構成。這樣一來，在等離子體電流流入到等離子流火花塞時，也可使中心電極的前端不易熔融。在適用例10的等離子流火花塞中，中心電極的至少其前端由鎢或鎢合金構成。


圖1是將作為本發明的一個實施例的等離子流火花塞100的部分切斷表示的剖視圖。圖2是放大表示圖1的等離子流火花塞100的前端部分的中心附近的剖視圖。圖3是表示用於驅動圖1的等離子流火花塞的點火裝置的概要構成的框圖。圖4是將圖2中的絕緣件10中被夾持在中心電極20和接地電極30之間的部分放大表示的剖視圖。圖5是比較表示放電前後的中心電極相對接地電極的電壓波形的波形圖。圖6是表示本發明的一個實施例涉及的等離子體脫離評價結果的一例的說明圖。圖7是放大表示圖2中的接地電極30的開口部31及絕緣件10的小徑部15前端的剖視圖。圖8是表示本發明的一個實施例涉及的點火性評價結果的一例的說明圖。圖9是從等離子流火花塞100的前端側觀察圖2中的接地電極30的開口部31及絕緣件10的小徑部15前端的說明圖。圖10是表示因圖2中的中心電極20的極性不同造成的溝槽的發展方式的不同的說明圖。圖11是表示因中心電極20的極性不同引起的點火性水平維持時間不同的說明圖。圖12是表示圖2中的絕緣件10的小徑部15和中心電極20的最前端部23的重
疊程度的說明圖。圖13是表示絕緣件10的小徑部15和中心電極20的最前端部23的重疊量的不同造成的放電電壓增加率的說明圖。圖14是放大表示圖2中的絕緣件10的階梯部16及中心電極20的階梯部M附近的剖視圖。圖15是放大表示圖2中的腔室60的剖視圖。圖16是表示圖2中的腔室60的形狀不同形成的點火性評價結果的說明圖。標記的說明4密封體5 墊片
6、7環形部件
9滑石
10絕緣件
12軸孔
14收容部
15小徑部
16階梯部
20中心電極
21主體部
22前端部
23最前端部
24階梯部
30接地電極
31開口部
40端子配件
50主體配件
51工具扣合部
52螺紋部
53鉚接部
M鍔部
55座面
56卡止部
58扣合部
60腔室
80墊圈
100等離子流火花
200點火裝置
210觸發電源
212線圈
220等離子體電源
具體實施例方式以下根據實施例按照以下順序說明本發明的實施方式。A.等離子流火花塞的構造B.等離子流火花塞的驅動C.實施例的特徵點C-1.絕緣件小徑部的形狀C-2.中心電極的形狀C-3.腔室周圍的靜電容量
C--4.接地電極及小徑部的內徑
C--5.中心電極的極性
C--6.絕緣件小徑部和中心電極最前端部的
C--7.階梯部的角度
C--8.腔室的形狀
C--9.階梯部間的間隙
C--10中心電極前端的材質D.變形例A.等離子流火花塞的構造圖1是將作為本發明的一個實施例的等離子流火花塞100部分切斷表示的剖視圖。圖2是放大表示圖1的等離子流火花塞100的前端部分的中心附近的剖視圖。此外在圖1中，將等離子流火花塞100的軸線0方向作為圖中的上下方向，將下側作為等離子流火花塞100的前端側、上側作為後端而來進行說明。如圖2所示，等離子流火花塞100由以下構成筒狀的絕緣件10，其具有沿軸線0 方向的軸孔12 ；中心電極20，收容在該絕緣件10的軸孔12內；板狀的接地電極30，配置在絕緣件10的前端；端子配件40，設置在絕緣件10的後端；以及主體配件50，保持絕緣件10。絕緣件10是眾所周知的燒制氧化鋁等而形成的絕緣部件，其介電常數為8 11。 絕緣件10的外形中，軸線0方向的大致中央為鍔狀，以該鍔狀部分為界，分為後端側和前端側。並且，比鍔狀部件靠近前端側，中途為階梯狀，前端部分的外徑進一步變小。中心電極20是^ > 二木凡(因科鎳，商標名)600或601等Ni系合金等形成的圓柱狀的電極棒，內部具有由具有良好導熱性的銅等構成的金屬芯(未圖示)。並且，由鎢或鎢合金構成的圓盤狀的電極晶片(未圖示)通過焊接安裝在其前端上。中心電極20分為 主體部21 ；前端部22，和該主體部21相比位於前端側；最前端部23，和該前端部22相比位於前端側；以及階梯部M，位於該前端部22和最前端部23之間。前端部22的外徑小於主體部21的外徑，最前端部23的外徑小於前端部22的外徑。主體部21和前端部之間是鍔狀，該鍔狀部分在絕緣件10的軸孔12內，與階梯狀的部位抵接，從而在軸孔12內將中心電極20定位。並且，在絕緣件10的形成軸孔12的部分，比上述階梯狀部位靠近前端側分為收容部14，收容中心電極20的前端部22 ；小徑部15，和該收容部14相比位於前端側，配置有中心電極20的最前端部23 ；階梯部16，位於該收容部14和小徑部15之間。小徑部15的內徑小於中心電極20的前端部22的外徑，並小於收容部14的內徑。中心電極20的前端在絕緣件10的小徑部15內，和絕緣件10的前端相比位於後側，由中心電極20的前端和小徑部15的內周包圍的容積小的空間形成可作為放電空間的腔室60。並且，接地電極30由具有良好耐火花消耗性的金屬形成，作為一例，使用Ir系合金。接地電極30呈厚0. 3 Imm的圓盤狀，其中央具有開口部31，使腔室60與外部氣體連通。接地電極30在抵接絕緣件10的前端的狀態下，與主體配件50的前端的內周面上形成的扣合部58扣合。並且，接地電極30的外周邊緣整周與扣合部58雷射焊接，接地電極30 與主體配件50 —體接合。中心電極20經由軸孔12內部設置的金屬及玻璃的混合物構成的導電性的密封體4，電連接到後端側的端子配件40。通過該密封體4，中心電極20及端子配件40在軸孔12 內被固定並被導通。此外，密封體4為防止因熱熔解，配置在從中心電極20的前端部在必要限度內遠離的位置上。並且，通過火花塞蓋(未圖示)，高壓線(未圖示)連接到端子配件40。主體配件50是用於將等離子流火花塞100固定到內燃機(未圖示)的引擎頭的圓筒狀的配件，包圍絕緣件10並保持它。主體配件50由鐵系材料形成，具有工具扣合部 51，嵌合火花塞專用扳手(未圖示)；螺紋部52，與內燃機上部設置的引擎頭螺合。主體配件50的比工具扣合部51靠近後端側設有鉚接部53。從工具扣合部51到鉚接部53的主體配件50與絕緣件10的後端側之間，介有圓環狀的環形部件6、7，進一步在兩個環形部件6、7之間填充滑石9的粉末。並且，通過鉚合鉚接部53，絕緣件10通過環形部件6、7及滑石9在主體配件50內向前端側擠壓。這樣一來，絕緣件10外周的階梯狀的部位通過環形的墊圈80由在主體配件50內周面階梯狀形成的卡止部56支持，主體配件 50與絕緣件10 —體化。通過該墊圈80，主體配件50和絕緣件10之間的密封被保持，防止燃燒氣體流出。並且，在工具扣合部51和螺紋部52之間形成鍔部M，螺紋部52的後端側附近、即鍔部M的座面55中嵌插有墊片5。B.等離子流火花塞的驅動圖3是表示用於驅動圖1的等離子流火花塞100的點火裝置的概要構成的框圖。等離子流火花塞100通過上述高壓線連接到點火裝置200。點火裝置200具有彼此是不同系統的觸發電源210及等離子體電源220。此外，作為等離子體電源220，使用具有10 120mJ的輸出的電源。首先，從觸發電源210通過線圈212輸出所希望的電力，該電力通過上述高壓線提供到等離子流火花塞100時，在等離子流火花塞100中，該電力從連接了上述高壓線的端子配件40通過密封體4提供到中心電極20。這樣一來，在中心電極20和接地電極30之間的火花放電間隙中，產生火花放電(breakdown)，該火花放電通過腔室60內的空間、壁面。因此，當通過火花放電被絕緣破壞時，之後作為中心電極20的電壓，放電維持電壓下降。在該下降的時間，從作為其他系統的等離子體電源220流入等離子體電流時，通過此時提供的能量，在腔室60內形成等離子體。這樣形成的等離子體從接地電極30的開口部31噴射時， 在內燃機中進行對混合氣體的點火。此外在圖3中，Cl 一般是等離子流火花塞100保持的靜電容量。稍後說明C2。C.實施例的特徵點C-1.絕緣件小徑部的形狀在本實施例中，如圖2所示，絕緣件10的小徑部15中，軸線0方向的形狀是直線狀。因此，通過使小徑部15的軸線0方向的形狀為直線狀，腔室60內的放電路徑變為直線，因此與放電路徑是曲線或L字型時相比，可減弱到絕緣件10內部的電場強度，抑制溝槽的發展。C-2.中心電極的形狀在本實施例中，如圖2所示，中心電極20的外徑按照最前端部23、階梯部M、前端部22、主體部21的順序變大，因此可將中心電極20的前端接收的熱從最前端部23向著主體部21高效地傳導，可提高中心電極20的降溫性。結果可確保中心電極20的耐久性。C-3.腔室周圍的靜電容量在本實施例中，為了使絕緣件10中夾持在中心電極20和接地電極30之間的部分、換言之包圍腔室60周邊的部分(小徑部15、階梯部16等)的靜電容量C2成為適當的值，考慮到該部分的形狀、中心電極20和接地電極30的位置關係等，如下進行設定。其中絕緣件10的介電常數如上所述，是8 11。圖4是將圖2中的絕緣件10中的被中心電極20和接地電極30之間夾持的部分放大表示的剖視圖。即，如圖4所示，例如在接地電極30中，開口部31的內周直徑小於中心電極20的前端部22的外徑、大於絕緣件10的小徑部15的內徑時，從接地電極30的開口部31的內周沿軸線0方向劃直線Kl時，設該直線Kl和絕緣件10的前端相交的交點Pl、 與該直線Kl和絕緣件10的階梯部16相交的交點P2之間的距離為a。並且，從中心電極 20的前端部22的外周開始沿著軸線0方向劃直線K2時，設該直線K2和絕緣件10的階梯部16相交的交點P3、與該直線K2和絕緣件10的前端相交的交點P4之間的距離為b。進一步，將接地電極30和中心電極20的前端部22在軸線0方向投影時，設接地電極30和中心電極20的前端部22重疊的面積為C。並且，以使上述定義的距離a、b及面積c滿足 0.2^ (2c)/(a+b) <4的關係的方式，設定包圍腔室60周邊的部分的形狀。此外，在接地電極30中，開口部31的內周直徑小於中心電極20的前端部22的外徑、小於絕緣件10的小徑部15的內徑時，上述距離a是小徑部15的內周的軸線0方向的長度。並且在接地電極30中，開口部31的內周直徑因內周方向上的位置而變化時(例如如下述圖9(d)所示， 開口部31內周具有多個突起時)，在內周方向的各位置上，求出上述距離a，將它們的平均值適用於上述公式。通過設定該形狀，可使包圍腔室60周邊的部分(小徑部15、階梯部16等)的靜電容量C2為適當的值，因此可防止所謂等離子體脫離。以下參照圖3及圖5說明本實施例中的防止等離子體脫離的原理。在圖3中，從點火裝置200的等離子體電源220向等離子流火花塞100流入等離子體電流時，一般情況下如上所述，先通過觸發電源210使中心電極20和接地電極30之間 (火花塞間隙間)產生放電現象，在使它們之間成為導通狀態的基礎上，作為相對接地電極 30的中心電極20的電壓，放電維持電壓例如是-500V以上，等離子體電源220可使其內部具有的電容器(未圖示)中存儲的電荷一次完全作為等離子體電流流入。此外在圖3中， C2如上所述，是包圍腔室60周邊的部分的靜電容量。圖5是比較表示放電前後的中心電極對接地電極的電壓的波形的波形圖。在圖5 中，(a)表示現有的等離子流火花塞的波形，(b)表示本實施例的等離子流火花塞100的波形，(c)表示包圍腔室60周邊的部分的靜電容量C2變為過大的值時的波形。在現有的等離子流火花塞中，如圖5(a)所示，根據使用條件不同，存在放電維持電壓過高的情況，這種情況下，無法流入等離子體電流，發生等離子體脫離。與之相對，在本實施例的等離子流火花塞100中，如上所述，包圍腔室60周邊的部分的靜電容量C2是適當的值，因此如圖5(b)所示，可降低放電維持電壓，易流入等離子體電流。並且，火花放電 (breakdown)時放出的電荷再次存儲到包圍該腔室60周邊的部分的靜電容量C2，中心電極 20的電壓向反向(正向)大幅波動，可促進等離子體電流的流入。
此外，上述距離a、b及面積c中，不滿足a <b且0.2彡(2c)/(a+b)彡4、包圍腔室60周邊的部分的靜電容量C2變為過大的值時，如圖5 (c)所示，感應電流從觸發電源210 一側的線圈212的電感器流入，從而作為中心電極20的電壓使放電維持電壓為-500V以下，無法流入等離子體電流。因此，利用圖6說明本實施例涉及的等離子體脫離評價結果的一例。圖6是表示本實施例涉及的等離子體脫離評價結果的一例的說明圖。在圖6中，縱軸表示等離子體脫離發生率(％)，橫軸表示基於上述距離a、b及面積c的Oc)/(a+b)的值。此外，評價條件在設腔體壓力為1. OMPa的基礎上，將等離子體脫離發生率3%作為判定線。從圖6可知，(2c)/(a+b)彡0. 2以上時，等離子體脫離發生率為3%以下，等離子體脫離大幅減少。並且，(2c)/(a+b) 4時，包圍腔室60周邊的部分的靜電容量C2變為過大的值，因此火花放電(breakdown)後的放電維持電壓變高，產生等離子體脫離。C-4.接地電極及小徑部的內徑圖7是放大表示圖2中的接地電極30的開口部31及絕緣件10的小徑部15前端的剖視圖。在本實施例中，圖7所示的接地電極30中的開口部31的內徑m相對絕緣件10 中的小徑部15前端的內徑n，設定在75 120%的範圍。這樣一來，通過使開口部31的內徑m相對於小徑部15前端的內徑η即腔室60的內徑的比率設定為上述範圍並最佳化，即使產生溝槽，在腔室60內，在小徑部15的內周上也基本平均地發生溝槽，因此可使溝槽發展平均化，提高等離子流火花塞100的耐久性，良好地保持點火性。與之相對，開口部31的內徑相對腔室60的內徑的比率不在上述範圍、開口部31 的內徑相對於腔室60內徑過小時，會斷開來自開口部31的等離子體焰的噴射，造成點火性下降。相反，當開口部31的內徑相對腔室60的內徑過大時，放電路徑變為L字型，在溝槽發展的同時，在產生溝槽的部分中，接地電極30和中心電極20的距離變得最短，因此放電路徑集中到該部分，溝槽發展偏向於這一部分，點火性降低。在此利用圖8說明本實施例涉及的點火性評價結果的一例。圖8是表示本實施例涉及的點火性評價結果的一例的說明圖。在圖8中，縱軸表示作為表示點火性的指標，在無載(N/L)狀態下驅動內燃機(旋轉次數820rpm)，表示熄火發生時的A/F(空氣/燃料)值，橫軸表示開口部31的內徑m相對於上述小徑部15的內徑n(即腔室60的內徑) 的比率(m/n)(%)。此外，評價條件是，以A/F= 15為點火性邊界線，A/F值在該值以上時合格。作為評價對象，使用新產品、及溝槽耐久1000小時(耐久IOOOHr)的產品。對於溝槽耐久1000小時的產品，溝槽耐久條件在壓力0. 4MPa的腔體內，以頻率60Hz使其火花放電(觸發放電)。從圖8可知，開口部31內徑相對腔室60內徑的比率為75%以上，可獲得良好的點火性。而在溝槽耐久1000小時的產品中，上述比率大到120%時，點火性急劇下降。因此， 當上述比率為75% 120%時，點火性良好。並且在本實施例中，作為接地電極30的開口部31對於腔室60的形態，可採用圖9 所示的各種形態。圖9是從等離子流火花塞100的前端側觀察圖2中的接地電極30的開口部31及絕緣件10的小徑部15前端的說明圖。
在圖9中，(a)表示接地電極30中的開口部31的內徑m大於絕緣件10中的小徑部15前端的內徑n(即腔室60的內徑)時的形態。相反，(b)表示接地電極30中的開口部31的內徑m小於絕緣件10中的小徑部15前端的內徑η時的形態。並且，(c)表示接地電極30中的開口部31的內周的一部分與接地電極30的外周連接、開口部31開放的形態， (d)表示在接地電極30中的開口部31的內周具有多個突起的形態。C-5.中心電極的極性在本實施例中，相對接地電極30，將中心電極20作為負極使用。圖10是表示因圖2中的中心電極20的極性不同造成的溝槽的發展方式的不同的說明圖。在圖10中，(a)表示將中心電極20作為負極使用的情況，(b)表示作為正極使用的情況。一般情況下，溝槽的發展在負極一側較大，因此如圖10(b)所示，相對接地電極30 將中心電極20作為正極使用時，在絕緣件10中，小徑部15的前端部分易於通過溝槽被削去，放電路徑潛入到接地電極30的底面側，因此存在點火性下降的危險。與之相對，如圖 10(a)所示，本實施例中，相對接地電極30，將中心電極20作為負極使用時，小徑部15的前端部分不會被削去，小徑部15的內周中，中心電極20的前端附近易被削去，當這樣被削去時，放電路徑變為從外側朝向內側的形態，抑制了相對於溝槽的發展的點火性的降低。 在此對因中心電極20的極性不同點火性水平維持程度如何不同來利用圖11進行說明。圖11是表示因中心電極20的極性不同引起的點火性水平維持時間不同的說明圖。 在圖11中，縱軸表示溝槽耐久條件下的耐久時間。具體而言，是在無載(N/L)狀態下驅動內燃機(旋轉次數820rpm)，熄火發生時的A/F(空氣/燃料)值低於15為止的時間。此外，溝槽耐久條件和圖8時一樣，在壓力0. 4MPa的腔體內，以頻率60Hz使其火花放電(觸發放電)。從圖11可知，相對接地電極30，將中心電極20作為負極使用，從而大幅改善點火性水平維持的時間。C-6.絕緣件小徑部和中心電極最前端部的重疊圖12是表示圖2中的絕緣件10的小徑部15和中心電極20的最前端部23的重疊程度的說明圖。在本實施方式中，如圖12所示，在軸線0方向上，絕緣件10的小徑部15 和中心電極20的最前端部23的重疊量d為0. 5 3mm。圖13是表示絕緣件10的小徑部15和中心電極20的最前端部23的重疊量的不同造成的放電電壓增加率的說明圖。在圖13中，縱軸表示等離子體耐久後的放電案壓增加率(％ )，橫路表示絕緣件10的小徑部15和中心電極20的最前端部23的重疊量d。此外， 等離子體耐久條件是，頻率60Hz下100小時(600HzX IOOHr)、118mJ、腔體壓力0. 4mPa時， 將放電電壓的增加率50%作為判定線。重疊量d小於0. 5mm時，對中心電極20的最前端部23產生電極消耗時，電極消耗擴展到與絕緣件10的小徑部15不重疊的部分，放電形態變為大氣中放電+沿面放電，因此如圖13所示，放電電壓大幅增加。重疊量d大於3mm時，中心電極20的降溫惡化，20的氧化明顯加快，放電電壓大幅增加。與之相對，重疊量d在0.5 3mm的範圍內時，放電形態為沿面放電，因此抑制了放電電壓的增加。C-7.階梯部的角度圖14是放大表示圖2中的絕緣件10的階梯部16及中心電極20的階梯部M附近的剖視圖。在本實施例中，如圖14(a)所示，在絕緣件10中，階梯部16和收容部14所成的角度為θ 1、在中心電極20中階梯部對和前端部22所成角度為Θ2時，設定上述角度滿足 θ 1 Θ2時，中心電極20的最前端部23的軸線0方向的長度和圖14(a)時一樣時，中心電極20的最前端部23消耗時， 電場集中到與接地電極30之間的點e，易變為放電的基點，因此絕緣件10的階梯部16及小徑部15易被消耗。並且，例如如圖14(c)所示，使角度Θ1和角度Θ2的關係為Θ1> θ2，並使中心電極20的最前端部23的軸線0方向的長度大於圖14(a)的情況時，中心電極20的23的消耗造成的影響放緩，但因最前端部23的長度變長，造成中心電極20的前端降溫惡化，中心電極20的前端易消耗，並且階梯部16和階梯部M之間的空間變大，燃燒氣體易滯留到該部分。C-8.腔室的形狀圖15是放大表示圖2中的腔室60的剖視圖。在本實施例中，如圖15所示，設腔室60的容積為R、腔室60中沿著軸線0方向的長度為S、腔室60的內徑(即換言之是絕緣件10的小徑部15的內徑)為N時，容積R是R彡2. 5mm3,且長度S和內徑N的比設定為S/ N 彡 0. 3。通過將腔室60的容積R、長度S、內徑N設定為以上範圍，可使腔室60的形狀最佳化，從而使點火性良好。圖16是表示圖2中的腔室60的形狀不同造成的點火性評價結果的說明圖。在圖16中，縱軸和圖8的情況一樣，作為表示點火性的指標，在無載(N/L)狀態下驅動內燃機 (旋轉次數820rpm)，表示熄火1 %發生時的A/F (空氣/燃料)值，橫軸表示上述腔室60的容積R(mm3)。並且，分別示出腔室60的內徑N(mm)為Φ0. 5、Φ 1. 0、Φ 1. 3、ΦΙ. 5, Φ 2. 0 的五種情況。此外，評價條件和圖8時一樣，將A/F = 15作為點火性邊界線，A/F值為該值以上時為合格。從圖16可知，腔室60的容積R超過2. 5mm3時，點火性急劇下降。並且，腔室60內徑N為Φ 2. Omm時，即使容積R在2mm3以下時，點火性也降低。原因在於，腔室60的內徑N 變大時，與腔室60的長度S的比率產生影響。並且，對圖16所示的所有數據，求出腔室60的長度S和內徑N的比時，對於腔室 60的容積R為2. 5mm3以下的產品，點火性降低的是上述比為0. 25以下的，點火性未降低的是上述比為0.3以上的。因此，當腔室60的容積R為2. 5mm3以下、且腔室60的長度S和內徑N的比為0. 3 以上時，點火性良好。C-9.階梯部之間的間隙在本實施例中，如圖2所示，在絕緣件10中的階梯部16和中心電極20中的階梯
14部M之間，設置間隙。這樣一來，絕緣件10的前端部分的熱不會逃逸到中心電極20，因此可抑制中心電極20的前端的溫度上升。C-10.中心電極前端的材質在本實施例中，如上所述，中心電極20的前端由鎢或鎢合金構成，因此在等離子體電流流入到等離子流火花塞100時，也可使中心電極20的前端不易熔融。此外，中心電極20的前端除了鎢、鎢合金以外，也可由熔點M00°C以上的純金屬或合金構成。D.變形例此外，本發明不限於上述實施例、實施方式，在不脫離其主旨的範圍內可通過各種方式實施。在上述實施例中，具有C-I C-IO所述的各特徵點，但本發明不限於此。S卩，至少具有c-l、C-2所述的特徵點即可，可不具有其他特徵點。並且，具有其他特徵點時，也可任意組合這些特徵點。
權利要求
1.一種等離子流火花塞，具有具有沿著軸線方向的軸孔的筒狀的絕緣部件；收容在該絕緣部件的上述軸孔內的棒狀的中心電極；以及配置在上述絕緣部件的前端的板狀的接地電極，該等離子流火花塞的特徵在於，上述中心電極具有主體部；前端部，該前端部具有比該主體部的外徑小的外徑，和上述主體部相比位於前端側；以及最前端部，該最前端部具有比上述前端部的外徑小的外徑， 和上述前端部相比位於前端側，在上述絕緣部件中，形成上述軸孔的部分具有收容部，具有比上述中心電極的上述主體部的外徑小的內徑，至少收容上述中心電極的上述前端部；以及小徑部，具有比上述中心電極的上述前端部的外徑小、且比上述收容部的內徑小的內徑，和上述收容部相比位於前端側，至少配置有上述中心電極的上述最前端部，上述中心電極的前端在上述絕緣部件的上述小徑部內，和上述絕緣部件的前端相比位於後側，與上述小徑部的內周共同形成腔室部，上述接地電極具有用於將上述腔室部和外部氣體連通的開口部， 上述小徑部的上述軸線方向的形狀是直線狀。
2.根據權利要求1所述的等離子流火花塞，其特徵在於，在上述絕緣部件中，形成上述軸孔的部分還具有位於上述收容部和上述小徑部之間的第1階梯部，在上述接地電極中，在上述開口部的內周直徑小於上述中心電極的上述前端部的外徑、且大於上述小徑部的內徑時，從上述接地電極的上述開口部的內周開始沿著上述軸線方向劃第1直線時，設上述第1直線和上述絕緣部件的前端相交的第1交點、與上述第1直線和上述絕緣部件的上述第1階梯部相交的第2交點之間的距離為a，在上述接地電極中，在上述開口部的內周直徑小於上述中心電極的上述前端部的外徑、且小於上述小徑部的內徑時，設上述小徑部的內周的上述軸線方向的長度為a，從上述中心電極的上述前端部的外周開始沿著上述軸線方向劃第2直線時，設上述第 2直線和上述絕緣部件的上述第1階梯部相交的第3交點、與上述第2直線和上述絕緣部件的前端相交的第4交點之間的距離為b，將上述接地電極和上述中心電極的上述前端部在上述軸線方向投影時，設上述接地電極和上述中心電極的上述前端部重疊的面積為c時，滿足如下關係 0. 2 ^ (2c) / (a+b) ^ 4。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的等離子流火花塞，其特徵在於，上述接地電極中的上述開口部的內徑相對於上述絕緣部件中的上述小徑部前端的內徑在75 120%的範圍。
4.根據權利要求1至權利要求3的任意一項所述的等離子流火花塞，其特徵在於， 上述中心電極作為負極使用。
5.根據權利要求1至權利要求4的任意一項所述的等離子流火花塞，其特徵在於， 在上述軸線方向上，上述最前端部和上述小徑部的重疊量是0. 5 3mm。
6.根據權利要求1至權利要求5的任意一項所述的等離子流火花塞，其特徵在於， 上述中心電極還具有位於上述前端部和上述最前端部之間的第2階梯部，設上述第1階梯部和上述收容部所成的角度為θ 1、上述第2階梯和上述前端部所成的角度為θ 2時，θ 1 < θ 2。
7.根據權利要求1至權利要求6的任意一項所述的等離子流火花塞，其特徵在於，設上述腔室部的容積為R、上述腔室部沿著上述軸線方向的長度為S、上述小徑部內徑為N時，上述容積R是R < 2. 5mm3，且上述長度S和上述內徑N的比是S/N彡0.3。
8.根據權利要求1至權利要求7的任意一項所述的等離子流火花塞，其特徵在於， 上述第1階梯部和上述第2階梯部之間具有間隙。
9.根據權利要求1至權利要求8的任意一項所述的等離子流火花塞，其特徵在於， 在上述中心電極中，至少其前端由熔點M00°C以上的純金屬或合金構成。
10.根據權利要求9所述的等離子流火花塞，其特徵在於， 上述中心電極中，至少其前端由鎢或鎢合金構成。
全文摘要
提供一種可抑制溝槽發展、降溫良好的等離子流火花塞，其中，在絕緣件(10)的小徑部(15)中，軸線O方向的形狀是直線狀，中心電極(20)的外徑按照最前端部(23)、階梯部(24)、前端部(22)、主體部(21)的順序變大。
文檔編號H01T13/52GK102227855SQ20098014749
公開日2011年10月26日 申請日期2009年12月22日 優先權日2008年12月26日
發明者中野悌丞, 佐藤美邦, 山村直史, 笠原大輔, 龜田裕之 申請人:日本特殊陶業株式會社