(57)【要約】【課題】着火性に優れた内燃機関用のスパークプラグ及び内燃機関を提供すること。【解決手段】外周に取付け用ネジ部２１を設けた取付金具２と、取付金具２の中心軸側に保持される絶縁碍子３と、絶縁碍子３の中心軸側に保持される中心電極４と、取付金具２に取付けられると共に中心電極４の先端部４１との間に火花放電ギャップＧを形成する接地電極５と、Ｏ-イオンを発生させるＯ-イオン発生部６とを備えてなることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ１。【選択図】図１
2007280640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周に取付け用ネジ部を設けた取付金具と、
該取付金具の中心軸側に保持される絶縁碍子と、
該絶縁碍子の中心軸側に保持される中心電極と、
上記取付金具に取付けられると共に上記中心電極の先端部との間に火花放電ギャップを形成する接地電極と、
上記絶縁碍子部に配設された、酸素導入機能をもつ介在部材と、
上記絶縁碍子部であって該介在部材の表面上に配設されるＯ-イオンを発生させるＯ-イオン発生部と、
を備えたことを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
【請求項２】
請求項１において、酸素導入機能と導電性とを併せもつ上記介在部材を備えたことを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、上記介在部材は、導電性多孔質体からなることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
【請求項４】
請求項２において、上記導電性多孔質体は、白金の焼結体からなることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
【請求項５】
請求項３において、導電性多孔質体と該導電性多孔質体の表面上にイットリア安定化ジルコニアを配設した上記介在部材を備えることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
【請求項６】
請求項１〜請求項５において、上記介在部材は、上記中心電極に接続したことを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
【請求項７】
外周に取付け用ネジ部を設けた取付金具と、
該取付金具の中心軸側に保持される絶縁碍子と、
該絶縁碍子の中心軸側に保持される中心電極と、
上記取付金具に取付けられると共に上記中心電極の先端部との間に火花放電ギャップを形成する接地電極と、
上記絶縁碍子の先端部に配設された、酸素導入機能と導電性とをもつ介在部材と、
上記絶縁碍子の先端部であって該介在部材の表面上に配設されるＯ-イオンを発生させるＯ-イオン発生部と、
を備えた内燃機関用のスパークプラグであって、
上記絶縁碍子の上記Ｏ-イオン発生部が形成された部分は多孔質体により形成され、該Ｏ-イオン発生部が形成されていない部分は非多孔質体により形成されたことを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、コージェネレーション、ガス圧送用ポンプ等に使用する内燃機関用のスパークプラグ及び内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車、コージェネレーション、ガス圧送用ポンプ等に使用する内燃機関においては、燃料と空気とを混合した混合気を燃焼室に導入し、燃焼室において燃料と酸素とを反応させることにより燃焼を起こし、その膨張力を動力源としている。
【０００３】
そして、この燃料と酸素との反応は、スパークプラグによる火花放電によって生じさせる。
【０００４】
しかしながら、燃料と酸素との反応を生じさせるためには、図８に示すごとく、ある程度の活性化エネルギーＥ１，Ｅ２が必要である。図８は、燃料（ＣnＨm）を燃焼（酸化）させてＣＯ2とＨ2Ｏとする際のエネルギー曲線を示し、曲線Ｌが、通常の状態の酸素（Ｏ2）と燃料（ＣnＨm）とを反応させる際のエネルギー曲線であり、曲線Ｍが、Ｏ-イオンと燃料（ＣnＨm）とを反応させる際のエネルギー曲線である。曲線Ｌに示すごとく、酸素（Ｏ2）と燃料（ＣnＨm）とを反応させるための活性化エネルギーＥ１は比較的大きい。そのため、混合気へ与えるエネルギーが不充分となると着火性が低下するおそれがある。特に、希薄燃焼エンジン等においては、着火性の低下が問題となる。
【特許文献１】特開２００４−７５４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、酸素（Ｏ2）よりも活性化エネルギーＥ２の低いＯ-イオンを燃料と反応させることにより、着火性を向上させることが考えられる。即ち、例えば特許文献１に開示されたＯ-イオン発生装置を用いて、Ｏ-イオンを発生させ、内燃機関の燃焼室に導入することが考えられる。
【０００６】
しかしながら、Ｏ-イオンの寿命は数ｍ秒以下と短いため、外部からＯ-イオンを供給すると、燃料と反応する前にその殆どが消滅してしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、着火性に優れた内燃機関用のスパークプラグ及び内燃機関を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、外周に取付け用ネジ部を設けた取付金具と、
該取付金具の中心軸側に保持される絶縁碍子と、
該絶縁碍子の中心軸側に保持される中心電極と、
上記取付金具に取付けられると共に上記中心電極の先端部との間に火花放電ギャップを形成する接地電極と、
上記絶縁碍子部に配設された、酸素導入機能をもつ介在部材と、
上記絶縁碍子部であって該介在部材の表面上に配設されるＯ-イオンを発生させるＯ-イオン発生部と、
を備えたことを特徴とする内燃機関用のスパークプラグにある（請求項１）。
【０００９】
次に、本発明の作用効果につき説明する。
【００１０】
上記スパークプラグは、絶縁碍子の先端部にＯ-イオン発生部を配設してなる。そして、Ｏ-イオン発生部から発生したＯ-イオンを、スパークプラグの火花放電により燃料と反応させて、容易に混合気に着火することができる。
【００１１】
即ち、Ｏ-イオンは、活性化エネルギーが小さいため、低エネルギーで燃料と反応しやすく、燃焼を起こしやすい。そのため、混合気の着火性を向上させることができる。
【００１２】
また、Ｏ-イオンは寿命が極めて短いが、Ｏ-イオン発生部がスパークプラグの絶縁碍子部に備え付けてあることにより、Ｏ-イオンが消滅する前に燃料との反応を行うことが可能となる。即ち、Ｏ-イオンを外部から導入して燃料と反応させようとしても、反応前にＯ-イオンが消滅してしまうおそれがある。これに対し、本発明の構成は絶縁碍子部に備え付けたＯ-イオン発生部から発生したＯ-イオンは、即座に火花放電ギャップ付近における燃焼反応に用いることができる。即ち、火花放電ギャップ付近にＯ-イオンと燃料とが充分に共存した状態において火花放電することができ、これにより効率的な着火を行うことができる。
【００１３】
また、Ｏ-イオン発生部と絶縁碍子との間に酸素導入機能をもつ介在部材を介在させたことで、この介在部材がＯ-イオン発生部の中心軸側の表面（内表面）に酸素を導入し、放出したＯ-イオンを酸素から再生産することが可能となる。これにより、連続的にＯ-イオンを火花放電ギャップ付近に存在させることができ、これにより効率的な着火を行うことができる。
【００１４】
以上のごとく、本発明によれば、着火性に優れた内燃機関用のスパークプラグを提供することができる。
【００１５】
第２の発明は、外周に取付け用ネジ部を設けた取付金具と、
該取付金具の中心軸側に保持される絶縁碍子と、
該絶縁碍子の中心軸側に保持される中心電極と、
上記取付金具に取付けられると共に上記中心電極の先端部との間に火花放電ギャップを形成する接地電極と、
上記絶縁碍子の先端部に配設された、酸素導入機能と導電性とをもつ介在部材と、
上記絶縁碍子の先端部であって該介在部材の表面上に配設されるＯ-イオンを発生させるＯ-イオン発生部と、
を備えた内燃機関用のスパークプラグであって、
上記絶縁碍子の上記Ｏ-イオン発生部が形成された部分は多孔質体により形成され、該Ｏ-イオン発生部が形成されていない部分は非多孔質体により形成されたことを特徴とする内燃機関用のスパークプラグにある（請求項７）。
【００１６】
上記スパークプラグは、上記絶縁碍子の多孔質体により形成された部分にＯ-イオン発生部が形成されたことで、この多孔質体の内部の細孔を酸素が通るようになる。つまり、この多孔質体がＯ-イオン発生部の中心軸側の表面（内表面）に酸素を導入し、Ｏ-イオン発生部においてより多くのＯ-イオンが発生する。これにより、より多くのＯ-イオンを火花放電ギャップ付近に存在させることができ、これにより効率的な着火を行うことができる。
【００１７】
以上のごとく、本発明によれば、着火性に優れた内燃機関用のスパークプラグを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
上記第１の発明（請求項１）及び第２の発明（請求項７）において、上記内燃機関は、例えば、自動車、コージェネレーション、ガス圧送用ポンプ等の内燃機関とすることができる。
【００１９】
また、上記介在部材は、酸素導入機能と導電性とを併せもつことが好ましい（請求項２）。
【００２０】
この場合には、介在部材の導電性機能によって、Ｏ-イオンを一層効果的に発生させることができる。
【００２１】
また、上記介在部材は、導電性多孔質体からなることが好ましい（請求項３）。
【００２２】
この場合には、Ｏ-イオン発生部においてＯ-イオンの発生のために必要となるクーロン力がはたらきＯ-イオンが介在部材を移動することができる。また、Ｏ-イオンを再生産するための酸素供給と電子ｅ-が供給可能となる。そのため、Ｏ-イオン発生部からのＯ-イオンの発生を促進することができる。
【００２３】
また、上記導電性多孔質体は、白金の焼結体からなることが好ましい（請求項４）。
【００２４】
この場合には、燃焼室の高温下でも安定した導電性とＯ-イオン再生産のための酸素補給が可能となる。そのため、Ｏ-イオン発生部からのＯ-イオンの発生を促進することができる。
【００２５】
また、導電性多孔質体と、導電性多孔質体の表面上にイットリア安定化ジルコニアを配設した介在部材を備えることが好ましい（請求項５）。
【００２６】
この場合には、イットリア安定化ジルコニアの表面上にＯ-イオン発生部を溶射で形成することが容易にできるようになる。
【００２７】
また、上記介在部材は、上記中心電極に接続したことが好ましい（請求項６）。
【００２８】
この場合には、介在部材自身がＯ-イオン発生部においてＯ-イオンの発生のために必要となる電子ｅ-を中心電極から供給することができる。また、イットリア安定化ジルコニアがＯ-イオン再生産のためのＯ2-を供給する。そのため、Ｏ-イオン発生部からのＯ-イオンの発生を促進することができる。
【００２９】
また、上記Ｏ-イオン発生部は、イオン導電性の固体電解質体からなることが好ましく、例えば、活性酸素含有物質である、１２ＣａＯ−７Ａｌ2Ｏ3、Ｃａ12Ａｌ10Ｓｉ4Ｏ35、ＣａＦｅ2Ｏ5等からなることが好ましい。この場合には、Ｏ-イオンを一層効果的に発生させることができる。
【実施例】
【００３０】
（実施例１）
実施例にかかる内燃機関用のスパークプラグについて、図１〜５を用いて説明する。
【００３１】
本実施例のスパークプラグ１は、外周に取付け用ネジ部２１を設けた取付金具２と、取付金具２の中心軸側に保持されるアルミナセラミックスよりなる絶縁碍子３と、絶縁碍子３の中心軸側に保持される中心電極４と、取付金具２に取付けられると共に中心電極４の先端部４１との間に火花放電ギャップＧを形成する接地電極５とを備えている。本実施例のスパークプラグは、中心電極４は負極となり、接地電極５が正極となる。なお、本実施例を構成する各部材について、その材質などが特に言及されていない部材については、従来公知のスパークプラグに使用されている部材と同様の部材を用いることができる。
【００３２】
そして、絶縁碍子３の先端部３１には、中心電極４と当接した状態で多孔質導電体７が配設されている。そして、この多孔質導電体７の表面上には、Ｏ-イオンを発生させるＯ-イオン発生部６が配設している。
【００３３】
多孔質導電体７は、絶縁碍子３の先端部３１において、先端部３１の外周側の表面に形成されている。多孔質導電体７は、一部が絶縁碍子３の中心軸側の表面（内周面）に形成され、この内周面に形成された部分は、中心電極４に接触した状態で形成されている。ここで、本実施例は、絶縁碍子３の内周面の一部に多孔質導電体７が形成されているが、この多孔質導電体７が形成された部分が複数となるように多孔質導電体７が形成されても、絶縁碍子３の内周面の全周にわたって多孔質導電体７が形成されても、いずれでもよい。
【００３４】
多孔質導電体７は、酸素導入機能と導電性とを併せもつ多孔質体であればその材質が限定されるものではない。たとえば、白金（Ｐｔ）により形成された多孔質体とすることができる。Ｐｔの多孔質体は、Ｐｔ粒子を非圧縮の集積状態で配置し、焼結させることで形成できる。また、Ｐｔ粒子が分散剤に分散したペーストを塗布し、焼成して分散剤を分解（揮発）するとともにＰｔ粒子を焼結させることで形成してもよい。多孔質導電体７は、その厚さが限定されるものではないが、１〜数十μｍの厚さとすることができる。
【００３５】
また、Ｏ-イオン発生部６は、イオン導電性の固体電解質体からなる。該固体電解質体は、活性酸素含有物質からなり、具体的には、１２ＣａＯ−７Ａｌ2Ｏ3（アルミナセメント）、Ｃａ12Ａｌ10Ｓｉ4Ｏ35、ＣａＦｅ2Ｏ5等を用いることができる。Ｏ-イオン発生部６は、その厚さが限定されるものではないが、５０μｍ以上でできる限り厚いことが好ましく、実用上の好ましい範囲として５０〜１００μｍの厚さとすることができる。
【００３６】
Ｏ-イオン発生部６は、絶縁碍子３の先端部３１において、多孔質導電体７の中心電極４との接触部位外の表面上にもうけてある。
【００３７】
中心電極４は、基端側において電圧を供給する接続端子４０４を有する基端側中心電極部４０２と、先端部４１を有する先端側中心電極部４０１とからなり、基端側中心電極部４０２と先端側中心電極部４０１とは抵抗体４０３によって接合されている。
【００３８】
そして、スパークプラグ１を使用する際には、図３の曲線Ｓに示したように、放電タイミングの直前に、中心電極４と接地電極５との間に、放電しない範囲の電圧をかける（図３のＳ１参照）。例えば−１Ｖ〜−１０ｋＶの電圧を０．１〜５ｍ秒間かける。このとき、絶縁碍子３の先端部３１に配されたＯ-イオン発生部６からＯ-イオンが発生する。
【００３９】
次いで、中心電極４と接地電極５との間に、例えば−１０〜−３０ｋＶという大きな電圧をかけ、火花放電ギャップＧに火花放電を生じさせる（図３のＳ２参照）。これにより、上記のごとく発生したＯ-イオンと、燃料とが反応して、着火することとなる。
【００４０】
スパークプラグ１に図３の曲線Ｓに示した電圧をかけるシステムとしては、たとえば、図４に示したシステムとすることができる。図４に示したシステムは、スパークプラグ１と、スパークプラグ１に印加する電圧を発生する電源装置８を備える。そして、電源装置８は、その内部に、点火用電圧発生部８０とイオン発生用電圧発生部８１とを備える。イオン発生用電圧発生部８１が図３のＳ１に相当する電圧を発生し、点火用電圧発生部８０が図３のＳ２に相当する電圧を発生する。つまり、図４に示したシステムは、点火用電圧発生部８０とイオン発生用電圧発生部８１とを備えることで、図３の曲線Ｓに示した電圧をスパークプラグ１にかけることができる。
【００４１】
次に、Ｏ-イオン発生部６におけるＯ-イオン発生の推定メカニズムについて、図５を用いて説明する。
【００４２】
まず、Ｏ-イオン発生部６が電気的に接続された中心電極４は、接地電極５に対して、マイナスの電圧がかけられる。そして、正極となる接地電極５の中心電極４側の面には、プラス電荷が現れる。これにより、Ｏ-イオン発生部６に包蔵されていたＯ-が、接地電極５側すなわち火花放電ギャップＧへ放出される。
【００４３】
また、Ｏ-イオン発生部６（固体電解質）には、燃焼室に供給される空気中の酸素（Ｏ2）がその外表面に付着しあるいは多孔質導電体７を通ってＯ-イオン発生部６の多孔質導電体７との表面（内表面）に付着する。このとき、Ｏ-イオン発生部６（固体電解質）には、負極である中心電極４から多孔質導電体７を介して電子ｅ-が供給される。これにより、Ｏ-イオン発生部６（固体電解質）においては、酸素（Ｏ2）が電子ｅを得てイオン化してＯ2-となり、更に、ＯとＯ-とが分かれてＯ-イオンが発生し、Ｏ-イオン発生部６に補充される。そして、またこのＯ-イオンが火花放電ギャップＧへ次々と供給されることとなる。
【００４４】
また、このとき、Ｏ-イオン発生部６の多孔質導電体７との当接面にて発生したＯ-イオンは、Ｏ-イオン発生部６の内周側に配設された多孔質導電体７が電子ｅ-を供給する負極となることから、クーロン力がはたらき、Ｏ-イオン発生部６の内部を外表面方向に移動して外表面から放出され、火花放電ギャップＧへ次々と供給される。
【００４５】
なお、本例の内燃機関用のスパークプラグ１は、自動車のエンジンにおける点火手段として用いることができる。
【００４６】
次に、本例の作用効果につき説明する。
【００４７】
本実施例のスパークプラグ１は、絶縁碍子３の先端部３１にＯ-イオン発生部６を配設してなる。そして、Ｏ-イオン発生部６から発生したＯ-イオンを、スパークプラグ１の火花放電により燃料と反応させて、容易に混合気に着火することができる。
【００４８】
即ち、Ｏ-イオンは、活性化エネルギーが小さいため、燃料と反応しやすく、低エネルギーで燃焼を起こしやすい（図８参照）。それ故、混合気の着火性を向上させることができる。
【００４９】
また、Ｏ-イオンは寿命が極めて短いが、Ｏ-イオン発生部６がスパークプラグ１の絶縁碍子３の先端部３１に配設されていることにより、Ｏ-イオンが消滅する前に燃料との反応を行うことが可能となる。即ち、Ｏ-イオンを外部から導入して燃料と反応させようとしても、反応前にＯ-イオンが消滅してしまうおそれがある。これに対し、絶縁碍子３の先端部３１に備え付けたＯ-イオン発生部６から発生したＯ-イオンは、即座に火花放電ギャップＧ付近における燃焼反応に用いることができる。即ち、火花放電ギャップＧ付近にＯ-イオンと燃料とが充分に共存した状態において火花放電することができ、効率的な着火を行うことができる。
【００５０】
また、Ｏ-イオンを火花放電ギャップＧ付近に存在させることにより、火花放電ギャップＧにおける絶縁破壊が生じやすくなり、低電圧で放電させることが可能となる。かかる観点からも、着火性を向上させることができる。
【００５１】
また、Ｏ-イオン発生部６が多孔質導電体７を介して中心電極４に接続されているため、中心電極４と接地電極５との間の電圧を用いて、Ｏ-イオン発生部６からＯ-イオンを発生させることができる。そのため、簡単な構成で、効果的にＯ-イオンを発生させることができる。
【００５２】
また、Ｏ-イオン発生部６が多孔質体の多孔質導電体７を介して絶縁碍子３の先端部３１に配設されているため、燃焼室に供給される空気中の酸素（Ｏ2）が多孔質導電体７の細孔を通ってＯ-イオン発生部６の内表面に供給され、Ｏ-イオンを発生させる。そのため、簡単な構成で、効果的にＯ-イオンを発生させることができる。ここで、Ｏ-イオン発生部６の内表面において発生したＯ-イオンは、クーロン力でＯ-イオン発生部６の内部を外表面方向に移動し、外表面から放出される。
【００５３】
Ｏ-イオン発生部６は、イオン導電性の固体電解質体からなるため、Ｏ-イオンを効果的に発生させることができる。
【００５４】
以上に説明したように、本実施例によれば、着火性に優れた内燃機関用のスパークプラグを提供することができる。
【００５５】
（実施例２）
本実施例は、絶縁碍子３の先端部３１が多孔質セラミックスにより形成された以外は、実施例１と同様なスパークプラグである。本実施例のスパークプラグ１の絶縁碍子３の先端部３１の近傍の構成を図６に示した。
【００５６】
本実施例の絶縁碍子３の先端部３１を構成する多孔質セラミックスは、多孔質のコーディエライトや多孔質のムライトにより形成できる。
【００５７】
本実施例のスパークプラグ１において、Ｏ-イオン発生部６および多孔質導電体７は、絶縁碍子３の先端部３１の多孔質セラミックスに形成された部分の絶縁碍子３の基端側、の部分が露出するように形成されている。
【００５８】
本実施例のスパークプラグ１は、燃焼室に供給される空気中の酸素（Ｏ2）が多孔質セラミックスにより形成された先端部３１を通って多孔質導電体７およびＯ-イオン発生部６の内表面に供給され、Ｏ-イオンを発生させる。そのため、簡単な構成で、効果的にＯ-イオンを発生させることができる。
【００５９】
そのため、Ｏ-イオン発生部６において、より多くのＯ-イオンを発生させることができる。
【００６０】
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００６１】
（実施例３）
本実施例は、Ｏ-イオン発生部６と多孔質導電体７との間に酸素イオン導電体９を配設した以外は、実施例１と同様なスパークプラグである。本実施例のスパークプラグ１の絶縁碍子３の先端部３１の近傍の構成を図７に示した。
【００６２】
本実施例の酸素イオン導電体９は、イットリア安定ジルコニア（ＹＳＺ）により形成できる。
【００６３】
本実施例のスパークプラグ１において、酸素イオン導電体９をもつことで、Ｏ-イオン発生部６を構成するアルミナセメント等を溶射により形成することができる。
【００６４】
その他、実施例１１と同様の作用効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】実施例１における、スパークプラグの縦断面図。
【図２】実施例１における、スパークプラグのＯ-イオン発生部付近の説明図。
【図３】実施例１における、中心電極にかける電圧波形を示す線図。
【図４】実施例１における、スパークプラグを添加するシステムの構成を示す説明図。
【図５】実施例１における、内燃機関の断面図。
【図６】実施例２における、スパークプラグのＯ-イオン発生部付近の説明図。
【図７】実施例３における、スパークプラグのＯ-イオン発生部付近の断面説明図。
【図８】燃料（ＣnＨm）を燃焼（酸化）させる際のエネルギー曲線を示す線図。
【符号の説明】
【００６６】
１：スパークプラグ
２：取付金具
３：絶縁碍子
３１：先端部
４：中心電極
４１：先端部
５：接地電極
６：Ｏ-イオン発生部
７：多孔質導電体
８：電源
９：酸素イオン導電体
【図１】
2007280640.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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