JPH0748395B2 - 定電圧放電管 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は内燃機関の点火装置における点火プラグと直列
に接続されて使用される定電圧放電管に関するものであ
る。

従来の技術 従来より一般に使用されている内燃機関の点火装置にあ
っては、その寿命を考える場合、点火プラグの汚損の影
響がきわめて大きいことが知られている。

点火プラグの汚損とは、点火プラグの絶縁磁器体表面に
カーボン，水あるいは鉛化合物等の導電物質が付着し、
この導電物質を介して火花電流が漏洩して横飛びしたり
して火が正常に電極間で飛ばなくなることであり、上記
の導電物質の種類によってくすぶり汚損とに大別されて
いる。

一方、上記のような汚損による悪影響をなくすために点
火プラグと点火コイルとの間に直列火花間隙放電管を設
け、点火プラグに印加する電圧を急激に立上げて点火に
必要なエネルギーを汚損による漏洩電流が流れないうち
に点火プラグに供給することが、たとえば特開昭47−10
556号公報等に提案，開示されている。

上記文献は、高電圧導線中にガス充填の閉鎖放電空間内
にある直列火花間隔を接続されたものにおいて、8kVと3
0kVの間にある固定点火電圧値で応動する直列火花間隙
の自由端が１〜5mm、より好ましくは1.5〜3mmだけ互い
に離れており、少なくとも火花フラッシュオーバの範囲
において飛散しない材料からなり、１〜10気圧、より好
ましくは２〜５気圧の圧力で上記材料と反応しないガス
で包囲されていることを特徴とする内燃機関の作動用点
火コイル装置を提案したものである。

また、上記ガスが少なくとも98％の純度を持つ窒素ある
いは少なくとも99％の純度を持つアルゴンであり、さら
に上記自由端、すなわち電極が90重量％以上、アルミニ
ウム，セリウム，ハフニウム，ランタン，ニオブ，タン
タル，チタン，バナジウムあるいはジルコニウムの窒化
物からなり、またはこれら金属の窒化物の混合物からな
り、化合物の25原子％以下の酸素含有量に相当する酸化
物あるいは酸化窒化物を含有していることも開示されて
いる。

発明が解決しようとする課題 上述のような構成を有する上記提案は、点火プラグに汚
損が生じても電圧印加から点火プラグの電極間が絶縁破
壊し、飛火するまでの時間が短く、汚損による漏洩電流
の影響を大きく受けないという効果を期待できる。

しかし、以下に述べるような諸点を考慮すると、点火プ
ラグが適正な点火動作を行えない場合を生じてしまうお
それがあるという不都合を依然として有し、その実用化
を考える場合、改善が望まれる。

すなわち、点火プラグの点火電圧は、先の提案にも記載
されているように供給される８〜30kVの平均電圧値に応
動し、また低減された方が雑音の発生あるいは点火装置
の小型化の点でも好ましいのは周知のことであり、一方
近年においては、燃費向上を目指しての圧縮比の上昇傾
向を考慮して、通常、10〜25kV程度に設定されている。

ところで、内燃機関のくすぶりを確実に防止するために
は、点火プラグへの電圧供給を直列火花間隔を介して急
峻に行う場合においても、その供給電圧をある程度以上
の高い値に設定しなければならないことが実験により確
認できており、たとえばある内燃機関にあっては、汚損
によるくすぶりを確実に防止できた点火プラグへの急峻
な供給電圧値は18kV以上であった。

すなわち、18kV以下の電圧を供給した場合には、内燃機
関のくすぶりが生じ、アイドリング時の回転数がきわめ
て不安定となってしまうという問題が発生した。

また、もし上述の直列火花間隔の設けられる閉鎖放電空
間に大気が混合した場合でも、点火コイルが供給可能な
25kV以下の電圧で確実に放電させるために上記直列火花
間隔長を約12mm以下に設定しなければならないことが、
第４図における大気中での放電電圧がきわめて大きくば
らつくことを考慮した実験結果から確認できている。

さて、ここで前述した提案についてみてみると、電極間
隔は１〜5mm、より好ましくは1.5〜3mmとしているが、
かかる放電長においてたとえば前述の18kVという高電圧
の放電開始電圧を設定することは、上記提案に開示の窒
素あるいはアルゴンを封入ガスとして１〜10気圧、より
好ましくは２〜５気圧という封入圧力条件で使用する場
合、きわめて困難となる すなわち、前述の提案装置は火花間隔の放電長が短くか
つ封入ガス圧もあまり高くなく、放電開始電圧を18kV以
上という高電圧に簡単には設定できず、汚損の状態によ
っては適正な点火動作を行えない場合を生じてしまうお
それを有しているわけである。

なお、上述した放電長を5mm以上とすることも考えられ
るが、この場合には、新たに直列火花間隔の外周に存在
するアース体の影響が出始める。すなわち、一般に上記
火花間隔はエネルギーロスを防ぐために点火プラグのす
ぐ上に設けられており、この場合内燃機関本体がアース
体となり、この本体と主電極の先端部、すなわち放電部
分との間のコンダクタンスＣが影響し始め、第５図に示
したように電気的に上記コンダクタンスＣが上記火花間
隔と点火プラグの直列体と並列に接続された状態と等価
となり、狙いとは逆に放電開始電圧が低下してしまうと
いうおそれがある。

したがって、前述の提案装置にあっては、いたずらに放
電長を長くすることはできなった。

また、上記放電長は、前述の提案においては後放電の電
圧の点からも5mm以下に限定されている。すなわち、上
記後放電の電圧いわゆる放電維持電圧の低い方が入力側
のエネルギー量を少なくできるなど好ましく、先の提案
では点火電圧の1/4以下、より好ましくは1/10以下に設
定するために電極間隔を１〜5mm、より好ましくは1.5〜
3mmに設定しているわけである。

しかしながら、本願出願人の実験によると、放電長の長
・短も確かに放電維持電圧の高・低に寄与しているもの
の、放電空間に封入するガスの種類および圧力の方がよ
り大きな影響を有していることが確認できている。

すなわち、簡単に述べると、窒素を封入するよりアルゴ
ンを封入する方がはるかに放電維持電圧は低下する。

したがって、先の提案においても放電維持電圧だけを考
えればアルゴンを使用すれば良いわけであるが、この場
合放電開始電圧も低下し、その文献中にも記載してある
ように、たとえば12kV以下の放電開始電圧の場合に適用
できるだけであり、提案装置のままでは、たとえば前述
した18kV以上の放電開始電圧を設定することはできず、
汚損により生じる問題を確実に防止することができない
という不都合を有することになる。

本発明は、上述したような諸点を考慮してなしたもの
で、放電開始電圧が18kV以上の高電圧であり、かつ放電
維持電圧がきわめて低い内燃機関の点火装置用の定電圧
放電管を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 本発明の定電圧放電管は、円筒外囲器の両端に気密封着
される一対の主電極を備えた放電管であり、主電極間隔
Ｇを５〜12mmに設定し、円筒外囲器内に純度99％以上の
キセノンガスを6.5〜20気圧のガス圧で封入し、かつ主
電極間隔Ｇと、主電極の放電部と筒外囲器の内壁面との
最短距離Ｄとの関係を0.2×Ｇ≦Ｄとなし、さらに放電
開始電圧が18〜25kVの範囲内となるように主電極間隔Ｇ
およびガス圧を上述した５〜12mmあるいは6.5〜20気圧
の範囲内としている。

作用 本発明による定電圧放電管は、主電極の放電部と外囲器
内壁との距離Ｄを主電極間隔Ｇの0.2倍以上とする条件
により、主電極の放電部とアース体である内燃機関本体
との間の距離が大きく設定できることになる。

したがって、主電極間隔を長くした場合であっても上記
アース体によるコンダクタンスの影響を防止でき、放電
開始電圧の低下を生じないようにできることになる。

すなわち、本発明による定電圧放電管は、主電極間隔を
5mm以上と長く設定しており、その長くしたことによる
放電開始電圧の高圧化が狙いどおりに達成されることに
なる。

また、放電開始電圧および放電維持電圧の低いキセノン
ガスを封入ガスとして使用しているものの、その封入圧
力を高く設定していることから、上記した主電極間隔を
長くする場合同様、放電開始電圧は高圧化されることに
なる。

実施例 第１図は本発明による内燃機関用の定電放電管の一実施
例を示す断面図である。

図からも明らかなように、この実施例は、たとえばセラ
ミックである絶縁体からなる円筒外囲器１の両端に点火
装置の点火コイル（図示せず）と接続される第１主電極
２と、点火プラグ（図示せず）と接続される第２主電極
３とが、接着部材４を用いる周知の加熱封着作業により
気密封着されている。

第１主電極２は金属導体キャップ５とこのキャップ５に
溶接されるエミッション剤を含む焼結合金製電極６とで
形成され、また、第２主電極３は金属導体キャップ７と
このキャップ７に溶接される棒状電極８とで形成されて
いる。

上記焼結合金製電極６は、たとえばタングステン，タン
タル，モリブデンなどの高融点金属からなる主金属とニ
ッケル，チタン，バナジウム，ジルコニウムなどからな
る還元剤およびセシウム，アルミニウム，バリウム，ス
トロンチウムなどのエミッション剤とで構成されてい
る。一方、棒状電極８は、たとえばタングステン，タン
タル，モリブデンなどの高融点の純金属またはその酸化
物あるいは窒化物で構成されている。

円筒外囲器１と第１主電極2,第２主電極３とによって形
成される閉鎖空間９には、純度99％以上のキセノンガス
が後述する実験結果に基づきたとえば10気圧の封入圧力
で封入されている。

また図示例の各部の寸法は、後述する実験結果に基づき
円筒外囲器１が外径16mm,内径8mm,焼結合金製電極６の
先端部、すなわち放電部が外径2mm,棒状電極８が外径1m
m,上記両電極間の距離Ｇ、すなわち放電長Ｇが10mmに設
定されている。

すなわち、放電長Ｇと電極の放電部と円筒外囲器１の内
壁面との最短距離Ｄとの関係が先の0.2×Ｇ≦Ｄなる条
件を満足していることは明らかである。

さらに、金属導体キャップ5,7および接着部材４は夫々
その熱膨脹係数が円筒外囲器１の熱膨脹係数と等しいも
しくは略等しいものが適宜選択，使用されることも言う
までもない。加えて、第１図からも明らかなように金属
導体キャップ5,7は、その周縁に円筒外囲器１の端面に
設けられた溝部1aに接着部材４を介して位置せしめられ
る突起部5a,7aを有し、したがって接着部材４の円筒外
囲器１と金属導体キャップ5,7間に対する作用範囲がき
わめて広くなり、この実施例は強固な金属導体キャップ
5,7の封着部分を形成できることになる。

さて、ここで上述したような構造の本発明による定量圧
放電管の一実施例において、その放電開始電圧と放電維
持電圧とを調べてみると、それぞれ20kV,0.25kVという
値であった。

すなわち、放電開始電圧は先に述べた18kV以上の値であ
り、かつ放電維持電圧はその1/80ときわめて低減されて
おり、点火プラグの汚損による肉燃機関のくすぶりを少
ないエネルギー量で確実に防止できる。きわめて好まし
い特性を得られることが確認できたわけである。

一方、上記放電開始電圧等は、図示した実施例における
放電長等の各部の寸法あるいは封入ガス圧によって影響
を受けることはいうまでもなく、以下この点について詳
述する。

まず、初めに放電長Ｇと電極放電部と円筒外囲器１の内
壁面との最短距離Ｄとの関係について述べる。

上記関係を確認するため、本願出願人は上記放電長Ｇと
距離Ｄとの関係を種々変化させた放電管を作り、単独
で、すなわちアース体が存在しない状態で放電させた場
合と、内燃機関本体に近接配置して、すなわちアース体
が存在する状態で放電させた場合とにおける放電開始電
圧を調べ、その比を調査する実験を行なった。

第２図はその実験結果を示す特性図であり、かかる図面
からも明らかなように、放電長Ｇと距離Ｄとの関係、す
なわちD/Gが0.2以上になると放電開始電圧に対するアー
ス体の影響がなくなることが確認できた。なお、上記D/
Gが同じであっても、たとえば放電長Ｇの値によっては
特性に多少のばらつきが発生するが、かかるばらつきは
大部分上記D/Gが0.2以下の領域にて発生し、上述の確認
内容に特に問題はない。

すなわち、放電長Ｇを長く設定しても上記D/Gが0.2以上
となるよう距離Ｄを設定してやれば、アース体の有無に
関係なく放電長Ｇを長くしたことによる放電開始電圧の
高圧化を狙いどうりに期待できることになるわけであ
る。

次に放電開始電圧あるいは放電維持電圧と封入ガス圧お
よび放電長Ｇとの関係について述べる。

上記関係を確保するため、本願出願人は前述した放電長
Ｇと距離Ｄとの関係D/Gが0.2以上であるとともに12mm以
下の種々の放電長を有し、かつキセノンガスを種々の圧
力で封入した第１図に図示したような構造を有する種々
の放電管を作り、それぞれの放電開始電圧および放電維
持電圧を調査する実験を行なった。

第３図（ａ），（ｂ）はその実験結果を示す特性図であ
り、同図（ａ），（ｂ）からも明らかなように放電開始
電圧，放電維持電圧は両者とも放電長が長く、また封入
ガス圧がなくなるほど高電圧となる特性を示すことが確
認できた。なお、放電維持電圧については、種々の入力
電圧値に対する特性を調査したが放電した場合ほとんど
差異はなく、第３図（ｂ）には35kVの高電圧を入力した
場合の特性を示している。

さて、ここで、まず放電開始電圧と放電長，封入ガス圧
との関係についてみてみる。

放電開始電圧については、先にも述べたように点火プラ
グの汚損による悪影響を確実に防止するためには18kV以
上の高電圧を急峻に点火プラグに供給しなければなら
ず、また通常10〜25kVに設定されている点火プラグの点
火電圧を考えると、18〜25kVの範囲に設定することが好
ましいことは詳述するまでもなく、本願出願人も上記範
囲でさらに検討を加えた。

すなわち、上記電圧範囲内における放電長と封入ガス圧
との関係をより詳しくみてみると、放電長が短い領域で
は封入ガス圧がきわめて高くなっており、したがってか
かる領域では放電管の製造が困難になることが考えられ
る。

換言すると、第１図に示した本発明による定電圧放電管
の一実施例は、外囲器１と電極2,3との気密封着を接着
部材４を用いた加熱作業により行なっており、その加熱
温度にもよるが封入ガスの熱膨脹あるいは封着部の機械
的強度を考えると、封入ガス圧が高い程ガス封入作業お
よび上記加熱封着作業が困難となることは詳述するまで
もない。

したがって、放電長は冒頭に述べた提案装置に開示され
たような短い値にいたずらに設定することはできず、本
願出願人の検討によると現状では20気圧程度までが封入
ガス圧の高圧化限界であり、かかる点から前述した電圧
範囲の放電開始電圧を設定する場合、放電長は5mm以上
に設定する必要性のあることが確認できた。

一方、放電維持電圧については、第３図（ｂ）からも明
らなように、放電長，封入ガス圧によって多少の差異は
あるものの、先に述べた12mm以下,20気圧以下の条件で
は0.6kV以下となっており、第１図に示したような構造
を有しキセノンガスを封入した放電管きわめて好ましい
特性を有していることが確認できた。

なお、放電管の量産性あるいは点火装置の小型化を考慮
するなら、封入ガス圧は低く、また放電に必要な入力電
圧値も低い方が良いことから、放電長は、より好ましく
は８〜10mmにまた放電開始電圧も20kV±2kV程度に設定
すべきである。何故ならば、封入ガス圧の低下だけを考
えれば放電長を12mmとすることにより７気圧18kVの放電
開始電圧を得られることになるが、点火装置は放電長を
12mm以下とした場合より大型化してしまうことになり、
かかる点から上記のような放電長および放電開始電圧範
囲が量産性，装置形状を考えた場合特に実用的な範囲と
なるわけである。

発明の効果 本発明による定電圧放電管は、放電開始電圧が18〜25kV
の高電圧となるよう放電長を５〜12mmの範囲から、また
放電空間に封入するキセノンガスの圧力を6.5〜20気圧
の範囲内の値に設定し、さらに主電極放電部の外囲器内
壁面との最短距離を放電長の0.2倍以上となしているこ
とから、内燃機関の点火プラグと直列に用いることによ
り上記点火プラグの汚損によるくすぶりを確実に防止で
きるという効果を期待できる。

また、封入ガスとして純度99％以上のキセノンガスを使
用することから、放電維持電圧を低い値に制御でき、上
記のような適用を考えた場合、点火装置の点火エネルギ
ー量を少なくできるという効果も期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による定電圧放電管の一実施例を示す断
面図、第２図は放電長Ｇと主電極放電部の外囲気内壁面
との最短距離Ｄとの関係をアース体が存在する場合と存
在しない場合の放電開始電圧の比率で示す特性図、第３
図（ａ），（ｂ）はそれぞれ種種の放電長における放電
開始電圧とキセノンガスの封入圧との関係および放電維
持電圧とキセノンガスの封入圧との関係を示す特性図、
第４図は大気中における放電開始電圧と放電長との関係
を示す特性図、第５図は内燃機関本体のアース体として
の影響を説明明するための等価回路図である。 １……円筒外囲器、２……第１主電極、３……第２主電
極、４……接着部材、5,7……金属導体キャップ、６…
…焼結合金製電極、８……棒状電極、９……閉鎖空間。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミック等の絶縁体からなる円筒外囲器
   の両端に一対の主電極を備えてなり、前記主電極間隔Ｇ
   を５〜12mmに設定し、前記円筒外囲器内に純度99％以上
   のキセノンガスを6.5〜20気圧のガス圧で封入し、かつ
   前記主電極間隔Ｇと前記主電極の放電部と前記円筒外囲
   器の内壁面との最短距離Ｄとの関係を0.2×Ｇ≦Ｄとな
   し、さらに放電開始電圧が18〜25kVの範囲内となるよう
   に前記主電極間隔Ｇおよび封入ガス圧を前記５〜12mmあ
   るいは6.5〜20気圧の範囲内とした定電圧放電管。