JP4682995B2 - プラズマ式点火装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の点火に用いられるプラズマ点火装置の電極消耗対策に関するものである。

自動車エンジン等の内燃機関において、図６（ａ）に示すようなプラズマ式点火装置１ｈでは、プラズマ式点火プラグ１０ｈの中心電極１１０ｈと接地電極１３１ｈとの間に放電用電源２０ｈから高電圧を印加するとともに、中心電極と設置電極との間に形成された放電空間１４０ｈ内で放電が開始する瞬間に、プラズマ発生用電源３０ｈから大電流を供給して、放電空間１４０ｈ内の気体を高温高圧のプラズマ状態にして、放電空間１４０ｈの先端から噴射して点火をおこなうことができる。
プラズマ式点火装置１ｈは、指向性に富み、かつ容積的に大きな範囲で数千から数万Ｋの極めて高い温度域を発生させることができるので、直噴エンジンの燃焼において希薄な混合気を燃焼させるため、点火プラグの付近に濃い混合気が集まるようにして燃焼を容易にする成層燃焼への応用が期待されている。

この様なプラズマ式点火装置として、特許文献１には、中心電極の汚染を防止すべく、中心電極と中心に該中心電極を保持し縦に伸びる挿入孔を設けた絶縁体と該絶縁体を覆い下端に挿入孔と連通する開口を設けた接地電極とによって構成し、上記挿入孔内に放電ギャップを形成した表面ギャップ型点火プラグが開示されている。
米国特許第３５８１１４１号明細書

ところが、従来のプラズマ式点火装置１ｈにおいては、図６（ｂ）に示すように、中心電極１１０ｈを陰極とし、接地電極１３１ｈを陽極としているので、中心電極１１０ｈの表面において質量の大きな陽イオン５０の衝突により分解される陰極スパッタリングが発生しやすい。この陰極スパッタリングによって中心電極１１０ｈの表面は激しく浸食される。
中心電極１１０ｈの侵食に伴い中心電極１１０ｈと接地電極１３１ｈとの距離、即ち放電距離１４１ｈが次第に長くなり、放電距離１４１ｈに比例して放電電圧が次上昇し、やがて放電電圧が放電用電源２０ｈの発生電圧以上となると放電できなくなり内燃機関の失火に至る虞がある。

そこで、本願発明は、かかる実情に鑑み、プラズマ式点火装置において陰極スパッタリングによる陰極の消耗を抑制し、放電電圧の上昇が生じ難く、安定した点火を実現する耐久性に優れたプラズマ式点火装置を提供することを目的とするものである。

請求項１の発明では、請求項１の発明では、中心電極と接地電極との間を絶縁する筒状の絶縁部材が配設して、上記絶縁部材内に放電空間を形成したプラズマ式点火プラグを具備し、上記中心電極と上記接地電極との間に印加された高電圧によって上記放電空間内の気体を高温高圧のプラズマ状態にして内燃機関内に噴射して点火を行うプラズマ式点火装置において、上記中心電極と上記接地電極とのいずれか一方の内、少なくとも陰極となる電極に該電極の上記放電空間に相対する表面を覆う耐浸食層を形成し、上記耐浸食層は、最表層から最内層に至る各層を構成する構成材の熱的性質が異なる層とし、これらの層を積層させた複数層で構成されると共に、上記最表層は、沸点が最も高い高沸点層とし、
上記最内層は、熱伝導率が最も高い高熱伝導率層とし、上記最表層と上記最内層との間の層は、上記最表層側から上記最内層側に向けて熱伝導率が高くなり、上記最内層側から上記最表層側に向けて沸点が高くなるように設ける。

上記放電空間内に高電圧が印可されると、放電空間内の気体がプラズマ状態となり、極めて高温で質量の大きい陽イオンが上記陰極となる電極の表面に衝突して、電極表面を浸食する陰極スパッタリングを起こす虞があるが、請求項１の発明によれば、電極表面に形成された耐浸食層の最表層は、高沸点層となっており、沸点が高く、プラズマ化した高温の気体が衝突しても蒸発し難い。
加えて、上記耐浸食層は、高沸点層と高熱伝導率層と組み合わせて層状に形成されているので、プラズマ化した気体の熱エネルギーを高沸点層から高熱伝導率層に速やかに逃し、高沸点層の温度を低下させることができるので、更に電極表面が蒸発し難くなり、陰極スパッタリングが抑制される。
従って、プラズマ式点火装置の耐久性を向上できる。

請求項２の発明では、上記耐侵食層は、上記最表層から上記最内層にかけて、熱的性質が層状に徐々に変化して異なるように形成される傾斜材とする。

請求項２の発明によれば、最表層は最も沸点が高くなり、最内層は最も熱伝導率が高くなるのに加え、最表層と最内層との熱的性質が徐々に変化する傾斜材としたので、材料特性の違いによる内部応力の発生を抑えることができ、耐久性に優れたプラズマ式点火装置が実現可能となる。

請求項３の発明では、上記傾斜材は、高沸点材料と高熱伝導率材料とからなり、上記最表層側から上記最内層側に向けて上記高熱伝導率材料の配合比率を高くし、上記最内層側から上記最表層側に向けて上記高沸点材料の配合比率を高くなるように各層の配合比率を徐々に変化させた傾斜材とする。

請求項３の発明によれば、高沸点材料と高熱伝導率材料との配合比率を変化させることにより容易に熱的性質を徐々に変化させた傾斜材を容易に形成することが可能となり、完全一体となった耐浸食層を形成できる。
従って、耐浸食性に優れたプラズマ式点火装置を実現できる。

請求項４の発明では、上記高沸点材料は、沸点３５００℃以上の金属または金属化合物の内、少なくとも１以上を含む高沸点材料とする。

請求項４の発明によれば、高沸点層が蒸発し難く、陰極スパッタリングが抑制され、耐久性の高いプラズマ式点火装置が実現できる。

請求項５の発明では、上記高熱伝導率材料は、熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属または金属化合物もしくは炭素繊維の内、少なくとも１以上を含む高熱伝導率材料とする。

請求項５の発明によれば、高融点層の温度を速やかに低下させ、更に陰極スパッタリングが抑制され、耐久性の高いプラズマ式点火装置が実現できる。

請求項６の発明では、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置の製造方法において、上記陰極となる電極を形成する工程が、上記高沸点材料と上記高熱伝導率材料とが粉末状である材料を用い、上記最表層側から上記最内層側に向けて上記高熱伝導率材料の配合比率が高くなり、上記最内層側から上記最表層側に向けて上記高沸点材料の配合比率が高くなるように、各層の配合比率を徐々に変化させて成形型内に充填し、上記成形型によって圧縮して成形体を形成し、上記成形体を上記成形型によって更に圧縮するとともに、上記成形型を介して上記成形体内にパルス電流を印加して、上記成形体内に発生する熱エネルギーによって上記成形体を焼結して、上記陰極となる電極を上記耐浸食層とともに形成する工程を含む。

請求項５の発明によれば、高沸点材料と高熱伝導率材料とについて、金属または金属化合物もしくは炭素繊維材料のいずれかを問わず、両材料の配合比率を上記最表層側から上記最内層側に向けて上記高熱伝導率材料の配合比率が高くなり、上記最内層側から上記最表層側に向けて上記高沸点材料の配合比率が高くなるように傾斜配合して成形し、焼結することが容易となる。
従って、耐久性の高いプラズマ式点火装置が実現できる。

以下に、本発明の第１実施形態について、図１を参照して説明する。
本実施形態におけるプラズマ式点火装置１は、放電用電源２０とプラズマ発生用電源３０とからなる高電圧電源とプラズマ式点火プラグ１０とで構成されている。
プラズマ式点火プラグ１０は、軸状の中心電極１１０と、上記中心電極１１０を絶縁保持する筒状の絶縁部材１２０と、絶縁部材１２０を覆う有底筒状で先端に接地電極１３１の形成された導電性のハウジング１３０とで構成されている。
接地電極１３１の放電空間１４０に対向する表面には、後述する高沸点層１５１、傾斜層１５２、高熱伝導率層１５３からなる耐浸食層１５０が形成されている。

絶縁部材１２０は耐熱性、機械的強度、高温における絶縁耐力、熱伝導率などに優れた高純度のアルミナ等からなり、先端側は中心電極１１０の先端面より下方に伸びる筒状の放電空間１４０を形成し、中腹には絶縁部材１２０とハウジング１３０との気密性を保持するパッキング部材を介してハウジング１３０に係止する中心電極係止部が形成され、基端側は中心電極１２０とハウジング１３０とを絶縁し、高電圧が上記電極以外に逃げるのを防止する絶縁部材頭部１２２が形成されている。

ハウジング１３０の先端は、絶縁部材１２０を覆い、先端が内側に向かって屈曲する環状の接地電極１３１が形成されている。
ハウジング１３０の中腹外周部には、図略の内燃機関内に接地電極１３１が露出するように内燃機関の壁面（エンジンブロック４０）に固定するとともにハウジング１３０とエンジンブロック４０とを電気的に接地状態とするためのハウジングネジ部１３３が形成され、基端側外周部にはネジ部１３３を締め付けるためのハウジング六角部１３４が形成されている。

接地電極１３１には、絶縁部材１２０の内径と連通し、放電空間１４０に対向する接地電極開口部１３２が形成されている。
更に、接地電極１３１には、放電空間１４０に対向する表面を覆うように耐浸食層１５０が形成されている。
耐侵食層１５０は、最表層から最内層にかけて、熱的性質が層状に徐々に変化して異なるように形成される傾斜材として形成されている。
具体的には、最表層に高沸点材料を用いて高沸点層１５１が形成され、その背面側に高沸点材料と高熱伝導材料との配合比率を徐々に変化させ傾斜配合された傾斜層１５２が形成され、さらにその背面には高熱伝導率材料を用いて高熱伝導率層１５３が形成され、耐侵食層１５０を構成している。

また、耐侵食層１５０は、高沸点の熱的性質を有する高沸点構成材と、高熱伝導率の熱的性質を有する高熱伝導率構成材とを、その各構成材の配合比率を各層にて異なるように組み合わせて積層形成しても良い。
更に、耐浸食層１５０は、最表層から最内層に向かう層ほどに、その層を構成する構成材の熱伝導率が高くなるように配合比率が調整され、かつ、最内層から最表層に向かう層ほどに、その層を構成する構成材の沸点が高くなるように配合比率を調整した傾斜材として設けても良い。

高沸点材料には、沸点３５００℃以上の金属または金属化合物の内、少なくとも１以上を含む高沸点材料が用いられる。
具体的には、金属として、Ｃｏ等の貴金属材料、金属化合物として、ＴａＣ、ＨｆＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮ等の炭化物または窒化物、またはこれらを混合して合金化した材料を用いるのが好ましい。
高熱伝導率材料には、例えば熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属または金属化合物もしくは炭素繊維のいずれかを含む高熱伝導率材料が用いられる。
具体的には、金属として、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等、金属化合物としては、ＳｉＣ、ＷＣ等の金属炭化物、炭素繊維としてはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）等を用いるのが好ましい。
特にＣＮＴ、ＣＮＦ等の炭素繊維は１０００Ｗ／ｍ・Ｋから３０００Ｗ／ｍ・Ｋの極めて高い熱伝導率を有し、放熱性に極めて優れている。

中心電極１１０の先端側は例えばＷ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｈｆ、ＴａＣ、ＴｉＮ等の高融点材料によって形成され、その内部には鉄鋼材料等の良電導性の金属材料からなる中心電極中軸１１１が形成されている。
中心電極１１０の基端側は絶縁部材１２０から露出し外部の上記放電用電源２０と上記プラズマ発生用電源３０とに接続される中心電極端子部１１２が形成されている。

本発明の第１の実施形態においては、図２（ａ）に示すように、放電用電源２０とプラズマ発生用電源３０の極性を、中心電極１１０側が陽極となり、接地電極１３１側が陰極となるように構成している。
放電用電源２０は、第１バッテリ２１、イグニッションキー２２、点火コイル２３、トランジスタからなるイグナイタ２４、電子制御装置２５によって構成され、整流素子２６を介してプラズマ式点火プラグ１０に接続されている。第１バッテリ２１は陽極側が接地されている。

プラズマ発生用電源３０は、第２バッテリ３１、抵抗体３２、プラズマ発生用コンデンサ３３によって構成され、整流素子３４を介してプラズマ式点火プラグ１０に接続されている。第２バッテリ３１は、陰極側が接地されている。

イグニッションスイッチ２２が投入され、ＥＣＵ２５からの点火信号により、第１バッテリ２１から低電圧で負の一次電圧が点火コイル２３の一次コイル２３１に印加され、イグナイタ２４のスイッチングによって一次電圧が遮断されると、点火コイル２３内の磁界が変化し、自己誘導作用により点火コイル２３の二次コイル２３２に１０〜３０ｋＶの正の二次電圧が誘起される。
一方、第２バッテリ３１によりプラズマ発生用コンデンサ３３が充電される。

印加された上記二次電圧が中心電極１１０と接地電極１３１との間の放電距離１４１に比例する放電電圧を超えると両電極間に放電が開始され、放電空間１４０内の気体が小領域でプラズマ状態となる。
この小領域のプラズマ状態の気体は、導電性を有し、プラズマ発生用コンデンサ３３の両極間に蓄えられた電荷の放電を引き起こし、放電空間１４０内の気体の更なるプラズマ状態化を誘発、領域を拡大する。
この拡大されたプラズマ状態の気体は、高温・高圧となり、内燃機関の燃焼室内へ噴射される。

この時、図２（ａ）に示すように、放電空間１４０内の気体が高温・高圧のプラズマ状態となり、質量の大きい陽イオン５０が接地電極１３１に設けられた開口部１３２の表面に衝突する。
しかしながら、放電空間１４０に対向する表面には、上述した高沸点層１５１、傾斜層１５２、高熱伝導率層１５３からなる耐浸食層１５０が形成されている。
従って、高温の陽イオン５０が高沸点層１５１に衝突しても、高沸点層１５１の沸点が高いのに加えて、高熱伝導率層１５３に速やかに放熱して冷却されるので、陰極スパッタリングによる接地電極開口部１３２表面の浸食が抑制できる。

一方、陽極となる中心電極１１０の表面には、陽イオン５０は電気的に反発するため衝突せず、質量の軽い電子５１のみが衝突するので、陰極スパッタリングによる直接的な浸食は起こらない。
また、中心電極１１０は、高融点材料を用いて形成されているので、プラズマ状態となった気体からの輻射熱による間接的な侵食からも保護される。

本実施形態において、耐浸食層１５０を高沸点層１５１と傾斜層１５２と高熱伝導率層１５３とを別々に形成して、これらを層状に重ねて形成しても良いが、粉末状の高沸点材料と粉末状の高熱伝導率材料とを用いてこれらの材料を最表層から最内層に向かう層ほどに、その層を構成する構成材の熱伝導率が高くなるように配合比率が調整され、かつ、最内層から最表層に向かう層ほどに、その層を構成する構成材の沸点が高くなるように配合比率が調整されて傾斜配合した傾斜材によって、高沸点層１５１と高熱伝導率層１５３とが連続的に変化する一体の電極として形成することができる。

この時、図３（ａ）に示すように、放電空間に対向する最表層の高沸点材料の配合比率を最も高くし、最内層の向かうにつれて高沸点材料の配合比率が徐々に低くなり、高伝導率材料の配合比率が徐々に高くなるように傾斜配合してある。
また、必ずしも、高沸点層と高熱伝導率層との高沸点材料と高熱伝導率材料との配合比率は直線的に変化する必要はなく、図３（ｂ）に示すように曲線的に配合比率が変化するように傾斜配合しても良い。

図４に示すような、プラズマ焼結装置５０を用いる事により、高沸点層１５１と傾斜層１５２と高熱伝導率層１３１ｂとの異なる特性をもつ層からなる耐浸食層１５０と接地電極１３１とが完全一体となった電極を容易に形成することができる。
以下に陰極となる接地電極１３１と耐侵食層１５０とを完全一体に形成する製造工程について詳述する。
接地電極１３１となる金属材料および耐侵食層１５０となる高沸点材料と高熱伝導率材料とが粉末上である材料を用い、接地電極１３１を覆うように高沸点層１５１、傾斜層１５２、高熱伝導層１３１ｃを形成すべく、耐侵食層１５０の最表層側から最内層側に向けて高熱伝導率材料の配合比率が高くなり、最内層側から最表層側に向けて高沸点材料の配合比率が高くなるように、各層の配合比率を徐々に変化させて、真空室５８内に置かれた、上パンチ５４ａと下パンチ５４ｂと成形ダイ５６とコアピン５５とで構成される成形型内に充填する。

次いで、成形代５６内に傾斜配合された材料を上パンチ５４ａと下パンチ５４ｂとを介して加圧装置５３によって加圧することにより成形体が得られる。
更に加圧装置５３によって該成形体を加圧しつつ、温度監視装置５７で温度を監視しながら、直流パルス電源５１で発生した電気エネルギーを電極５２ａ、５２ｂを介して上記成形体に供給する。
これにより、上記成形体内に極めて高温の熱エネルギーが発生し、上記成形体の焼結がすすみ、耐浸食層１５０と接地電極１３１とが完全一体となった電極の焼結体が得られる。
この様にして形成された電極とハウジング１３０とをレーザ溶接等により一体とすることができる。

本発明の第２の実施形態においては、図５（ａ）に示すように放電用電源２０ｂとプラズマ発生用電源３０ｂの極性を、中心電極１１０側を陰極にし、接地電極１３１側を陽極に構成する。
本実施形態においては、基本となる構成は第１の実施形態と同様であるので共通する部分については同じ符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、図５（ｂ）に示すように、中心電極１１０Ｂの放電空間１４０に対向する表面を覆うように耐浸食層１５０を形成する。
耐侵食層１５０は、最表層から最内層にかけて、熱的性質が層状に徐々に変化して異なるように形成される傾斜材として形成され、高沸点層１５１、傾斜層１５２、高熱伝導率層１５３からなる。

この様な構成とすることにより、耐浸食層１５０の表面に陽イオン５０が衝突しても、最表層に高沸点層１５１が形成され、傾斜層１５２を介して、その背面側に高熱伝導率層１５３が形成されているので、高沸点層１５１が蒸発し難いのに加えて、陽イオン５０の熱エネルギーを速やかに高熱伝導率層１５３へ放出し、高沸点層１５１の温度が速やかに低下する。
従って、本発明の第１の実施形態と同様陰極スパッタリングによる電極の消耗を抑えることができる。
なお、本実施形態において、耐侵食層１５０と中心電極１５０Ｂとを一体に形成するために、上述したプラズマ焼結装置５０を用いた製造方法が適用できる。
この際、中心電極１１０Ｂは、柱状であるので、第１の実施形態における耐侵食層１５０に覆われた環状の接地電極１３１を形成する場合いに用いられるコアピン５５は不要である。

当然のことながら、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態においては、陰極となる電極のみに耐浸食層１５０を設けたが、耐浸食層１５０と同様な製造方法により、陽極を高融点層と高熱伝導率層とを層状に配して形成すれば、陽極の耐久性の向上を図ることができる。
従って、更にプラズマ式点火装置の耐久性の向上が期待できる。

また、上記実施形態においては、一つのプラズマ式点火プラグで構成されるプラズマ式点火装置について説明したが、本発明は、多数の点火プラグを含む多気筒エンジンにも適用し得るものである。

本発明の第１実施形態におけるプラズマ式点火装置を示す構成図。 （a）は本発明の第１の実施形態における回路図、（ｂ）は、本図における効果を示す要部断面図。 本発明に用いられる高沸点材料と高熱伝導率材料との配合比率を変化させた傾斜材の配合特性を示し、（a）は、直線的に変化する例を示し、（ｂ）は曲線的に変化する例を示す。 本発明の陰極となる電極と耐侵食層とを一体に形成する工程に用いられるプラズマ焼結装置の概要を示す構成図。 （a）は、本発明の第２の実施形態における回路図、（ｂ）は、本図における効果を示す要部断面図。 （a）は、従来のプラズマ式点火装置を示す構成図、（ｂ）は、本図における問題点を示す要部断面図。

符号の説明

１ プラズマ式点火装置
１０ プラズマ式点火プラグ
１１０ 中心電極
１２０ 絶縁部材
１３１ 接地電極
１３２ 接地電極開口部
１４０ 放電空間
１５０ 耐浸食層
１５１ 高沸点層
１５２ 傾斜層
１５３ 高熱伝導率層
２０ 放電用電源
３０ プラズマ発生用電源
４０ エンジンブロック（内燃機関）

Claims (6)

1. 中心電極と接地電極との間を絶縁する筒状の絶縁部材が配設して、上記絶縁部材内に放電空間を形成したプラズマ式点火プラグを具備し、
   上記中心電極と上記接地電極との間に印加された高電圧によって上記放電空間内の気体を高温高圧のプラズマ状態にして内燃機関内に噴射して点火を行うプラズマ式点火装置において、
   上記中心電極と上記接地電極とのいずれか一方の内、少なくとも陰極となる電極に該電極の上記放電空間に相対する表面を覆う耐浸食層を形成し、
   上記耐浸食層は、最表層から最内層に至る各層を構成する構成材の熱的性質が異なる層とし、これらの層を積層させた複数層で構成されると共に、
   上記最表層は、沸点が最も高い高沸点層とし、
   上記最内層は、熱伝導率が最も高い高熱伝導率層とし、
   上記最表層と上記最内層との間の層は、上記最表層側から上記最内層側に向けて熱伝導率が高くなり、上記最内層側から上記最表層側に向けて沸点が高くなるように設けられることを特徴とするプラズマ式点火装置。
2. 上記耐侵食層は、上記最表層から上記最内層にかけて、熱的性質が層状に徐々に変化して異なるように形成される傾斜材としたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ式点火装置。
3. 上記傾斜材は、高沸点材料と高熱伝導率材料とからなり、
   上記最表層側から上記最内層側に向けて上記高熱伝導率材料の配合比率を高くし、上記最内層側から上記最表層側に向けて上記高沸点材料の配合比率を高くなるように各層の配合比率を徐々に変化させた傾斜材としたことを特徴とする請求項２に記載のプラズマ式点火装置。
4. 上記高沸点材料は、沸点３５００℃以上の金属または金属化合物の内、少なくとも１以上を含む高沸点材料とすることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ式点火装置。
5. 上記高熱伝導率材料は、熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属または金属化合物もしくは炭素繊維の内、少なくとも１以上を含む高熱伝導率材料とすることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ式点火装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置の製造方法において、
   上記陰極となる電極を形成する工程が、
   上記高沸点材料と上記高熱伝導率材料とが粉末状である材料を用い、
   上記最表層側から上記最内層側に向けて上記高熱伝導率材料の配合比率が高くなり、上記最内層側から上記最表層側に向けて上記高沸点材料の配合比率が高くなるように、各層の配合比率を徐々に変化させて成形型内に充填し、
   上記成形型によって圧縮して成形体を形成し、上記成形体を上記成形型によって更に圧縮するとともに、上記成形型を介して上記成形体内にパルス電流を印加して、上記成形体内に発生する熱エネルギーによって上記成形体を焼結して、
   上記陰極となる電極を上記耐浸食層とともに形成する工程を含むことを特徴とするプラズマ式点火装置の製造方法。