DE112015005504B4

DE112015005504B4 - Zündvorrichtung und Herstellungsverfahren einer in der Zündvorrichtung zu verwendenden superhydrophilen Membran

Info

Publication number: DE112015005504B4
Application number: DE112015005504.5T
Authority: DE
Inventors: Kenji Kanehara; Akimitsu Sugiura
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2022-05-25
Anticipated expiration: 2035-12-09
Also published as: DE112015005504T5; WO2016093214A1

Abstract

Zündvorrichtung (1, 6) mit einer Zündkerze (4, 60), welche bei einer Verbrennungskammer (51) einer Verbrennungskraftmaschine (5) montiert ist, wobei die Zündvorrichtung ein in ein Inneres der Verbrennungskammer geführtes Kraftstoff-Gas-Gemisch entzündet, wobei die Zündkerze ein kerzenbildendes Element (10, 7) und eine auf einer Oberfläche des kerzenbildenden Elements auf der Verbrennungskammerseite ausgebildete superhydrophile Membran (11) aufweist, wobei die superhydrophile Membran superhydrophile Partikel (110) und Katalysatorpartikel (111) für eine thermische Anregung beinhaltet, wobei die superhydrophile Membran eine Beziehung θw2< θw1erfüllt, wobei θw1einen Wasserkontaktwinkel zwischen dem kerzenbildenden Element und Wasser angibt, wenn keine superhydrophile Membran auf der Oberfläche des kerzenbildenden Elements ausgebildet ist, und θw2einen Wasserkontaktwinkel zwischen dem kerzenbildenden Element und Wasser angibt, wenn die superhydrophile Membran auf der Oberfläche des kerzenbildenden Elements ausgebildet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Zündvorrichtungen zum Entzünden eines in eine Verbrennungskammer einer Verbrennungskraftmaschine eingeführten Kraftstoffmischgases bzw. Kraftstoff-Gas-Gemisches, und insbesondere Zündvorrichtungen mit einer Zündkerze, auf deren Oberfläche eine superhydrophile Membran ausgebildet und beschichtet ist. Die Ausbildung der superhydrophilen Membran verhindert, dass eine Ablagerung an der Oberfläche der Zündkerze anhaftet, und sieht die Zündkerze mit einer stabilen Zündfähigkeit vor. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren solcher superhydrophiler Membranen, die in den Zündvorrichtungen verwendet werden sollen.
Allgemeiner Stand der Technik
Kürzlich wurden verschiedene Studien und eine Entwicklung hinsichtlich Laserzündvorrichtungen durchgeführt, welche auf für eine Kraft-Wärme-Kopplung zu verwendende Maschinen für gasförmigen Kraftstoff anzuwenden sind, und welche auf Verbrennungskraftmaschinen mit schlechter Zündleistung anzuwenden sind, wie Magerverbrennungs-Kraftstoffgemisch-Maschinen usw. Die Laserzündvorrichtung besitzt einen Halbleiterlaser als eine Anregungslichtquelle und diese versetzt Anregungslicht in Schwingung und strahlt das Anregungslicht hin zu einem Laserresonator aus. Der Laserresonator versetzt einen Impulslaser mit einer hohen Energiedichte basierend auf dem aufgenommenen Anregungslicht in Schwingung. Eine Kondensoreinheit in dem Laserresonator verdichtet den Impulslaser in einem in die Verbrennungskammer der Verbrennungskraftmaschine eingeführten Kraftstoff-Gas-Gemisch, um das Kraftstoff-Gas-Gemisch zu entzünden.
Eine solche Laserzündvorrichtung besitzt eine Zündkerze. Die Zündkerze besitzt ein optisches Element, ein optisches Fenster usw. Das optische Fenster ist hitzebeständig und bei einer Grenze zwischen einer Verbrennungskammer und der Zündkerze angeordnet, um das optische Element in der Zündkerze vor einer hohen Temperatur und Druckgas in der Verbrennungskammer zu bewahren. Das optische Element fokussiert bzw. bündelt den Impulslaser im Inneren der Verbrennungskammer der Verbrennungskraftmaschine, um kein Kraftstoff-Gas-Gemisch in der Verbrennungskammer zu entzünden.
Da die Verbrennungskraftmaschine andererseits ein Maschinenöl verwendet, um Verschleiß usw. zu reduzieren, der zwischen einem Kolben und einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine erzeugt wird, tritt in der Verbrennungskammer ein Ölnebel auf. Ein solcher Ölnebel schwebt im Inneren der Verbrennungskammer bzw. ist in dieser in Umlauf und haftet an der Oberfläche des optischen Fensters auf der Seite der Verbrennungskammer. Wenn aufgrund des Ölnebels eine Ablagerung auf der Oberfläche des optischen Fensters angesammelt ist, sind die optischen Übertragungseigenschaften des Impulslasers aufgrund der Ablagerung eines solchen Ölnebels reduziert und das Vorhandensein der Ablagerung reduziert die stabile Zündfähigkeit der Zündkerze. Entsprechend ist es wünschenswert, zu verhindern, dass ein solcher Ölnebel an der Oberfläche des optischen Fensters der Zündkerze auf der Seite der Verbrennungskammer festgehalten wird.
Ferner werden, wenn beispielsweise eine Maschine startet und eine herkömmliche Funkenzündkerze bei einer niedrigen Temperatur arbeitet und ein flüssiger Kraftstoff bei einer unvollständigen Verbrennung verbrannt wird, Russ usw. aufgrund der unvollständigen Verbrennung erzeugt, und aufgrund eines solchen Russes auf einer Oberfläche eines Isolationsglases bei der herkömmlichen Zündkerze wird eine Ablagerung angesammelt. Da die Ablagerung aus Kohlenstoff mit einer Leitfähigkeit geschaffen ist, reduziert die Ausbildung der Ablagerung die elektrische Isolation zwischen Elektroden der Zündkerze und verschlechtert die stabile Zündfähigkeit der Zündkerze.
Patentdokument 1 offenbarte eine externe Zündkerze vom lasergeführten Typ, um das zuvor beschriebene herkömmliche Problem zu lösen. Bei der Zündvorrichtung gemäß Patentdokument 1 ist in einer Verbrennungskammer auf einer Endseite eines Verbrennungskammerfensters eine Unterkammer ausgebildet und eine Öffnungsblende ist bei der Unterkammer ausgebildet, durch welche der Laserstrahl läuft und in das Innere der Verbrennungskammer über die Unterkammer eintritt. Ein Laserstrahl tritt über die Öffnungsblende in die Verbrennungskammer ein. Patentdokument 2 offenbart eine Zündkerze, bei welcher eine Außenfläche eines Isolators mit einem Siliziumharz beschichtet ist.
Zitierungsliste
Patentliteratur

Patentdokument 1: Japanische Patentveröffentlichung mit der Nummer JP 2013 - 527376 A und
Patentdokument 2: Ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Übersetzung der PCT-Anmeldung) mit der Nummer JP 2013-545258 A

Weiterer Stand der Technik ist aus folgenden Druckschriften bekannt.
Die DE 10 2010 064 023 A1 offenbart eine Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine umfassend einen Zündlaser mit einem Brennraumfenster. Vorgeschlagen wird, dass das Brennraumfenster bis zu einer Inbetriebnahme der Laserzündeinrichtung mit einer Schutzschicht versehen ist.
Die US 2012 / 0 139 405 A1 offenbart eine Zündkerze, die eine isolierende Hülse mit einer zentralen axialen Bohrung und einer Außenfläche und eine Mittelelektrode umfasst, die sich durch die zentrale axiale Bohrung der isolierenden Hülse erstreckt. Die Isolierhülse ist innerhalb einer Metallhülle, die als Montageplattform und Schnittstelle zu einem Verbrennungsmotor dient, angeordnet und daran befestigt. Die Metallhülse trägt auch eine Masseelektrode, die in einer beabstandeten Beziehung relativ zu der Mittelelektrode positioniert ist, um eine Funkenstrecke zu erzeugen. Die Isolierhülse weist einen geformten Spitzenabschnitt auf, der in einem ausgesparten Endabschnitt des Metallgehäuses liegt. Auf der Außenfläche des geformten Spitzenabschnitts der Isolierhülse ist eine Beschichtung angeordnet. Die Beschichtung umfasst ein Metalloxid, ein Edelmetall, ein spätes Übergangsmetall oder eine Kombination, die zwei oder mehr der vorstehenden Metalle umfasst.
Die DE 10 2004 059 132 A1 offenbart eine Objekterfassungsvorrichtung, welche ein Gehäuse, eine Lichtstrahlungseinheit und eine Lichtempfangseinheit aufweist. Das Gehäuse besitzt ein Lichtstrahlungsfenster und ein Lichtempfangsfenster. Das Lichtstrahlungsfenster besitzt auf seiner äußersten Oberfläche eine hydrophile Schicht. Die hydrophile Schicht beschränkt Wassertröpfchen, die auf dem Lichtstrahlungsfenster verbleiben, in ihrer Funktion als Lichtsammellinsen, so dass das Licht nach außen gestrahlt wird, ohne durch die Wassertröpfchen gestreut zu werden. Insbesondere besitzt das Lichtstrahlungsfenster außerdem ein Glassubstrat an einer innersten Seite und eine Photokatalysatorschicht zwischen dem Glassubstrat und der hydrophilen Schicht. Die hydrophile Schicht besteht aus Siliziumdioxiden.
Die JP 2000 - 291 390 A offenbart eine transparente Schicht, die eine Kieselgelstruktur enthält, und die auf einer Oberfläche eines Basismaterials eines Innenverkleidungsmaterials für einen Tunnel gebildet ist. Wenn das Basismaterial ein hitzebeständiges Rohmaterial ist, wird eine Lösung, die Alkalisilikat enthält, auf das Basismaterial aufgetragen, um es bei einer Oberflächentemperatur von 100 bis 600°C zu erhitzen oder zu brennen. Wenn das Grundmaterial Beton ist, werden unterschiedliche Teilchen aus Alkalisilikat, die bei 200 bis 500 Grad gebrannt wurden, auf einem lackfilmbildenden Element vordispergiert, das aus ungehärtetem oder teilweise gehärtetem Silikon oder dem Vorläufer besteht, der auf eine Oberfläche des Basismaterials aufgetragen und gehärtet werden soll. Somit wird eine Oberfläche des Innenverkleidungsmaterials hydrophil/ölabweisend gemacht, um das Anhaften von Ruß und Rauch von Abgasen eines Automobils und Abriebpulver eines Reifens und die elektrostatische Anziehung von schwebenden Partikeln zu verhindern, wodurch ein anhaftendes Objekt leicht mittels Wassereinspritzung gereinigt werden kann.
Die DE 697 35 268 T2 betrifft eine Zusammensetzung, die nach dem Aufbringen auf die Oberfläche eines Körpers die Oberfläche des Körpers hoch hydrophil machen kann und die Hydrophilie außerdem aufrechterhalten kann. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Zusammensetzung, die die Oberflächen von Spiegeln, Glas, Linsen und anderen Körpern hoch hydrophil machen kann, um ein Beschlagen der Oberfläche der Gegenstände oder Körper und die Bildung von Wassertropfen auf der Oberfläche der Körper zu verhindern, oder um die Oberfläche der Körper zu reinigen oder um das Entfernen von Wassertropfen von der Oberfläche der Körper durch Verdampfen zu beschleunigen, wodurch die Oberfläche der Gegenstände oder Körper schnell trocknet.
Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Die herkömmliche Gegenmaßnahme des zuvor beschriebenen Patentdokuments 1 kann verhindern, dass ein Ölnebel direkt an einer Oberfläche des optischen Fensters festgehalten wird, da die Gasströmung hin zu dem optischen Fenster durch die Öffnungsblende beschränkt ist.
Die herkömmliche Gegenmaßnahme des zuvor beschriebenen Patentdokuments 1 kann jedoch nicht verhindern, dass der Ölnebel an einer inneren Umfangsfläche der Öffnungsblende festgehalten wird bzw. anhaftet. Aus diesem Grund ist der auf der inneren Umfangswand der Öffnungsblende angelagerte und gesammelte Ölnebel dem Gas mit einer hohen Temperatur in der Verbrennungskammer ausgesetzt und die Ablagerung, welche Komponenten einer unvollständige Verbrennung, wie Metalloxidmaterialien, umfasst, wird aufgrund einer langen Verwendung der Zündkerze erzeugt.
Die Ausbildung und Ansammlung einer solchen Ablagerung um das vordere Ende der Öffnungsblende bewirkt insbesondere häufig eine Beugung des Laserstrahls und verschlechtert eine Übertragung des Laserstrahls. Folglich besteht ein mögliches herkömmliches Problem, dass es schwierig ist, die Zündkerze mit einer stabilen Zündfähigkeit vorzusehen.
Ferner beschränkt die zuvor beschriebene herkömmliche Gegenmaßnahme die Gasströmung auf der Innenseite der Öffnungsblende durch die Anordnung der Öffnungsblende auf der Verbrennungskammerseite des optischen Fensters, es ist jedoch schwierig, die Anhaftung von Ölnebel an dem optischen Fenster vollständig zu verhindern. Wenn der Ölnebel die Öffnungsblende durchläuft und die Oberfläche des optischen Fensters erreicht, ist es schwierig, dass die Gasströmung in der Verbrennungskammer den an der Oberfläche des optischen Fensters haftenden Ölnebel von der Oberfläche des optischen Fensters entfernt und beseitigt. Ferner existiert ein möglicher Fall, bei welchem der Ölnebel weiter häufig angesammelt wird und das Vorliegen der Öffnungsblende gegenteilige Effekte hervorrufen würde.
Darüber hinaus ist es bei der Zündkerze unter Verwendung des beschichteten Siliziumharzes, wie durch Patentdokument 2 offenbart, sehr schwierig, vollständig zu verhindern, dass eine Ablagerung an dem Isolator bei der Zündkerze festgehalten wird bzw. anhaftet.
Die vorliegende Erfindung erfolgte unter Berücksichtigung der vorstehenden Umstände und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündvorrichtung, eine Funkenzündvorrichtung und ein Herstellungsverfahren einer in der Laserzündvorrichtung zu verwendenden superhydrophilen Membran vorzusehen. Die Laserzündvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung fördert einen Abbau und ein Entfernen eines Ölnebels und einer Ablagerung, welche bei einer Oberfläche einer Zündkerze festgehalten wurden, und diese verhindert, dass die Ablagerung auf der Oberfläche der Zündkerze angesammelt wird.
Lösung des Problems
Die Zündvorrichtung (1, 6) gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt eine bei einer Verbrennungskammer (51) einer Verbrennungskraftmaschine (5) montierte Zündkerze (4, 60). Die Zündvorrichtung zündet ein in ein Inneres der Verbrennungskammer geführtes Kraftstoff-Gas-Gemisch. Die Zündkerze besitzt ein kerzenbildendes Element (10, 7).
Eine superhydrophile Membran (11) ist auf einer Oberfläche des kerzenbildenden Elements auf der Verbrennungskammerseite ausgebildet. Die superhydrophile Membran umfasst superhydrophile Partikel (110) und Katalysatorpartikel (111) für eine thermische Anregung. Die superhydrophile Membran erfüllt eine Beziehung θ_w2 < θ_w1, wobei θ_w1 einen Wasserkontaktwinkel zwischen dem kerzenbildenden Element und Wasser angibt, wenn keine superhydrophile Membran auf der Oberfläche des kerzenbildenden Elements ausgebildet ist, und θ_w2 einen Wasserkontaktwinkel zwischen dem kerzenbildenden Element und Wasser angibt, wenn die superhydrophile Membran auf der Oberfläche des kerzenbildenden Elements ausgebildet ist. Die Zündvorrichtung entspricht einer Laserzündvorrichtung (1), welche einen Impulslaser (LSR_PLS) über ein optisches Fenster (10) als ein kerzenbildendes Element hin zu einem Brennpunkt in der Verbrennungskammer bündelt, um ein in die Verbrennungskammer eingeführtes Gasgemisch zu entzünden. Der Impulslaser (LSR_PLS) besitzt eine hohe Dichte. Das optische Fenster (10) als das kerzenbildende Element ist bei einer Grenze zwischen der Zündkerze (4) und der Verbrennungskammer (51) der Verbrennungskraftmaschine (5) angeordnet. Die superhydrophile Membran ist auf der Oberfläche des optischen Fensters auf der Verbrennungskammerseite als das kerzenbildende Element ausgebildet.
Die Zündkerze (60) der Zündvorrichtung besitzt eine Mittelelektrode (61), eine Masseelektrode (62) und einen Isolator (7). Die Mittelelektrode (61) und die Masseelektrode (62) sind bei einer Position angeordnet, die hin zu der Innenseite der Verbrennungskammer der Verbrennungskraftmaschine vorsteht. Der Isolator entspricht einem kerzenbildenden Element, welches eine Außenperipherie der Mittelelektrode (61) trägt. Die Zündkerze entspricht einer Funkenzündvorrichtung (6), welche eine Funkenentladung bei einem Spalt (G) zwischen der Mittelelektrode (61) und der Masseelektrode (62) erzeugt, um das in das Innere der Verbrennungskammer geführte Kraftstoff-Gas-Gemisch zu entzünden. Die superhydrophile Membran ist auf der Oberfläche des Isolators (7) als ein kerzenbildendes Element ausgebildet, welche der Verbrennungskammer zugewandt ist. Die zuvor beschriebenen Bezugszeichen in Klammern sind der Einfachheit halber hinzugefügt und diese Bezugszeichen beschränken den Schutzumfang des Gegenstands gemäß der vorliegenden Erfindung nicht.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der Zündvorrichtung, das heißt, der Laserzündvorrichtung und der Funkenzündvorrichtung mit der zuvor beschriebenen Struktur, werden, da Feuchtigkeit, die in einem durch die Verbrennung in der Verbrennungskammer erzeugten Abgas enthalten ist, die Oberfläche der superhydrophilen Membran befeuchtet und sich auf dieser erstreckt, auch wenn ein Ölnebel und Kohlenstoff an den kerzenbildenden Elementen, wie dem optischen Fenster und dem Isolator der Zündkerze, festgehalten werden bzw. anhaften, der Ölnebel und Kohlenstoff durch die Ausbildung der superhydrophilen Membran auf einfache Art und Weise von den kerzenbildenden Elementen entfernt. Da ferner Katalysatorpartikel für eine thermische Anregung, die in der superhydrophilen Membran enthalten sind, durch eine thermische Energie durch die Verbrennung von Kraftstoffgas in der Verbrennungskraftmaschine angeregt werden, ermöglicht dies, den oxidativen Abbau des Ölnebels und von Kohlenstoffpartikel, welche an der Oberfläche des optischen Fensters festgehalten werden bzw. anhaften, zu fördern und das Verbrennungsfenster der Verbrennungskammer für eine lange Zeitphase aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus ist es bei der verbesserten Struktur möglich, den Ölnebel und Kohlenstoff auf einfache Art und Weise von der Oberfläche des optischen Fensters zu entfernen, wenn ein solcher Ölnebel und Kohlenstoff an der Oberfläche des optischen Fensters festgehalten werden bzw. anhaften.
Figurenliste

1 ist eine Ansicht, welche einen vertikalen Querschnitt eines Teilabschnitts einer Laserzündvorrichtung gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2A ist eine schematische Ansicht, welche eine Funktion einer superhydrophilen Membran als ein Teil der vorliegenden Erfindung zeigt.
2B ist eine schematische Ansicht, welche die hydrophile Eigenschaft der superhydrophilen Membran als ein Teil der vorliegenden Erfindung zeigt.
2C ist eine schematische Ansicht, welche eine Ölabweisung der superhydrophilen Membran als ein Teil der vorliegenden Erfindung zeigt.
3A ist eine charakteristische Ansicht, welche Effekte eines Titandioxid-Mischungsverhältnisses auf die hydrophile Eigenschaft der superhydrophilen Membran zeigt.
3B ist eine charakteristische Ansicht, welche Effekte des Titandioxid-Mischungsverhältnisses auf die Ölabweisung der superhydrophilen Membran zeigt.
4 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die einen Teil einer Funkenzündvorrichtung gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist eine charakteristische Ansicht, welche Effekte eines Titandioxid-Mischungsverhältnisses auf die hydrophile Eigenschaft der superhydrophilen Membran zeigt.
6 ist eine charakteristische Ansicht, welche Effekte des Titandioxid- Mischungsverhältnisses auf die Ölabweisung der superhydrophilen Membran zeigt.
7 ist eine charakteristische Ansicht, welche eine Beziehung zwischen einer Katalysatorleistung der superhydrophilen Membran mit einem unterschiedlichen Titandioxid-Mischungsverhältnis und einer Temperatur zeigt.
8 ist eine charakteristische Ansicht, welche Effekte des Titandioxid-Mischungsverhältnisses auf eine katalytische Leistung der superhydrophilen Membran zeigt.
9 ist eine charakteristische Ansicht, welche eine Beziehung zwischen der Zyklenanzahl und einer Fehlzündungsrate als ein Vergleichsergebnis des Vergleichens eines Glimmtests einer Funkenzündkerze beim Vorliegen der superhydrophilen Membran zeigt.
10 ist eine Ansicht, welche eine Fotografie zeigt, die eine Oberfläche der superhydrophilen Membran bei einer Zündkerze und eine Oberfläche einer Zündkerze ohne irgendeine superhydrophile Membran bei dem Glimmtest zeigt.
11 ist eine charakteristische Ansicht, welche Effekte des Titandioxid-Mischungsverhältnisses auf die Zyklenanzahl bis zu einem Auftreten der Fehlzündung zeigt.
12 ist eine charakteristische Ansicht, welche Effekte des Vorliegens der superhydrophilen Membran auf die Zyklenanzahl bis zum Auftreten der Fehlzündung zeigt.
13 ist eine vertikale Querschnittsansicht, welche einen Teil einer Funkenzündvorrichtung gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
14 ist eine vertikale Querschnittsansicht, welche einen Teil einer Funkenzündvorrichtung gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
15 ist eine vertikale Querschnittsansicht, welche einen Teil einer Funkenzündvorrichtung gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
16 ist eine vertikale Querschnittsansicht, welche einen Teil einer Funkenzündvorrichtung gemäß einer sechsten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
17 ist eine vertikale Querschnittsansicht, welche einen Teil einer Funkenzündvorrichtung gemäß einer siebten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
18 ist eine vertikale Querschnittsansicht, welche einen Teil einer Funkenzündvorrichtung gemäß einer achten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
(Erste beispielhafte Ausführungsform)
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung der Zündvorrichtung gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 1.
Die Zündvorrichtung gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform entspricht einer Laserzündvorrichtung 1 mit einer Laserzündkerze 4. Die Laserzündkerze 4 ist bei einer Wand einer Verbrennungskammer 51 einer Verbrennungskraftmaschine 5 montiert. Die Verbrennungskraftmaschine 5 besitzt einen Maschinenkopfteil (eine Verbrennungsmaschinenwand) 50, Zylinder (nicht gezeigt) und Kolben 52. Der Maschinenkopfteil 50 bedeckt die oberen Oberflächen der Zylinder. Die Kolben 52 bewegen sich vertikal in den Zylindern. Durch den Zylinder und den Kolben 52 ist eine Verbrennungskammer 51 ausgebildet. Ein Kraftstoffmischgas bzw. Kraftstoff-Gas-Gemisch wird in die Verbrennungskammer 51 eingeführt. Das Kraftstoffmischgas wird in den Zylindern verbrannt, um eine Wärmeenergie zu erzeugen, und das Kraftstoffmischgas dehnt sich in den Zylindern aus, um eine potentielle Energie zu schaffen. Der Kolben 52 wandelt die erzeugte potentielle Energie in mechanische Leistung um. Es ist möglich, dass die Verbrennungskraftmaschine 5 gemäß der vorliegenden Erfindung Kraftstoffgas, wie Propangas, und flüssigen Kraftstoff, wie Ottokraftstoff, Leichtöl usw., verwendet.
Die Laserzündvorrichtung 1 erzeugt einen Impulslaser LSR_PLS mit einer hohen Energiedichte, und diese strahlt den erzeugten Impulslaser LSR_PLS über ein optisches Fenster 10 (als ein kerzenbildendes Element) zu dem Inneren der Verbrennungskammer 51 der Verbrennungskraftmaschine 5 aus. Das optische Fenster 10 ist zwischen der Verbrennungskammer 51 und der Laserzündvorrichtung 1 angeordnet. Die Laserzündvorrichtung 1 kondensiert bzw. bündelt den Impulslaser LSR_PLS auf einen Brennpunkt FP bei einer vorbestimmten Position in der Verbrennungskammer 51, um ein in das Innere der Verbrennungskammer 51 eingeführtes Kraftstoffmischgas zu entzünden.
Die Laserzündvorrichtung 1 besitzt eine Anregungslichtquelle 13 und eine Laserzündkerze 4. Die Laserzündkerze 4 besteht aus kerzenbildenden Elementen. Die Oberfläche des kerzenbildenden Elements der Laserzündkerze 4, welche angeordnet ist, um der Verbrennungskammer 51 zugewandt zu sein, ist mit einer superhydrophilen Membran 11 bedeckt. Wie in 2A gezeigt ist, umfasst die superhydrophile Membran 11 superhydrophile Partikel 110 und Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung.
Die Laserzündkerze 4 besitzt ein Gehäuse 3 mit einer zylindrischen Gestalt, ein optisches Element 12 und das optische Fenster 10. Das Gehäuse 3 ist an dem Maschinenkopfteil 50 fixiert, welcher der Wand der Verbrennungskammer 51 in der Verbrennungskraftmaschine 5 entspricht. Das optische Element 12 ist in dem Gehäuse 3 angeordnet und durch dieses getragen. Das optische Fenster 10 ist bei einer Grenze, die einer vorderen Endseite des Gehäuses 3 entspricht, zwischen der Verbrennungskammer 51 und der Laserzündkerze 4 angeordnet. Die Laserzündvorrichtung 1 besitzt eine Struktur, bei welcher die superhydrophile Membran 11 auf einer Oberfläche des optischen Fensters 10 auf der Seite der Verbrennungskammer 51 ausgebildet ist. Darüber hinaus erfüllt die Struktur der superhydrophilen Membran 11 eine Beziehung θ_w2 < θ_w1, wobei θ_w1 einen Wasserkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 ohne die superhydrophile Membran 11 und Wasser angibt, und θ_w2 einen Wasserkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 mit der superhydrophilen Membran 11 und Wasser angibt. Die superhydrophile Membran 11 ist aus superhydrophilen Partikeln 110 und den Katalysatorpartikeln 111 für eine thermische Anregung hergestellt. Die superhydrophilen Partikel 110 und die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung entsprechen einem Gemisch mit einem vorbestimmten Mischungsverhältnis. Die superhydrophilen Partikel 110 besitzen eine Partikelgröße von nicht mehr als eine vorbestimmte Partikelgröße. Die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung besitzen eine Partikelgröße von nicht mehr als eine vorbestimmte Partikelgröße. Es ist vorzuziehen, auf der Oberfläche des optischen Fensters 10 die superhydrophile Membran 11 mit dem Wasserkontaktwinkel θ_w1 zwischen dem optischen Fenster 10 und Wasser von nicht mehr als 2/3 auszubilden. Das heißt, es ist vorzuziehen, dass die superhydrophile Membran 11 einen relativen Wasserkontaktwinkel θ_w2/θ_w1 von nicht mehr als 2/3 besitzt, wobei θ_w1 den Wasserkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 ohne superhydrophile Membran und Wasser angibt, und θ_w2 den Wasserkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 mit der superhydrophilen Membran 11 und Wasser angibt.
Darüber hinaus besitzt die superhydrophile Membran 11 eine Beziehung θ_ο2 > θ_o1, wobei θ_o1 einen Ölkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 ohne superhydrophile Membran und Öl angibt, und θ_ο2 einen Ölkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 mit der superhydrophilen Membran 11 und Wasser angibt.
Es ist vorzuziehen, dass die superhydrophile Membran 11 eine ölabweisende Eigenschaft besitzt, die in der Lage ist, den Ölkontaktwinkel θ_o1 zwischen dem optischen Fenster 10 und Öl um einen Faktor von nicht weniger als 1,5 zu erhöhen.
Das heißt, es ist vorzuziehen, dass die superhydrophile Membran 11 einen relativen Ölkontaktwinkel θ_o2/θ_o1 von nicht weniger als 1,5 besitzt, wobei θ_o1 den Ölkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 ohne superhydrophile Membran und Öl angibt und θ_ο2 den Ölkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 mit der superhydrophilen Membran 11 und Öl angibt.
Es ist vorzuziehen, dass die superhydrophile Membran 11 ein Mischungsverhältnis von nicht mehr als 47 % der Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung in einer Gesamtsumme der superhydrophilen Partikel 110 und der Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung besitzt, und es ist noch bevorzugter, dass diese das Mischungsverhältnis von nicht mehr als 20 % der Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung besitzt.
Die superhydrophile Membran 11 ist aus den superhydrophilen Partikeln 110, den Katalysatorpartikeln 111 für eine thermische Anregung und einem membranbildenden Material, wie einem Binder, einem Härter usw., hergestellt. Das membranbildende Material entspricht einer Binderkomponente, welche nicht weniger als eine Materialart bzw. Verbindung aus Phosphat und Metalloxid umfasst, um die Haftfähigkeit der superhydrophilen Partikel 110 und der Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung zu erhöhen. Insbesondere enthalten bei der superhydrophilen Membran 11 die superhydrophilen Partikel 110 Siliziumdioxid (SiO₂) und die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung enthalten nicht weniger als eine Verbindung aus einem Übergangsmetalloxid und Zinnoxid. Das Übergangsmetalloxid entspricht zumindest einer oder mehreren Verbindungen aus TiO₂, ZrO₂, Cr₂O₃, Y₂O₃, ZnO, CeO₂, Ta₂O₅, CuO₂, CuO und WO₃.
Als ein Beispiel ist die superhydrophile Membran 11 aus einem Gemisch eines Hauptmaterials und eines Härters mit einem Gewichtsverhältnis von 1:1 hergestellt. Das Hauptmaterial ist aus Aluminiumphosphat (AlPO₄) in einem Bereich von 4 bis 6 Gewichtsprozent, Siliziumdioxid (SiO₂) in einem Bereich von 90 bis 95 Gewichtsprozent, Aluminiumoxid (Al₂O₃) in einem Bereich von 1,0 bis 1,5 Gewichtsprozent und Zinkoxid (ZnO) in einem Bereich von 0,3 bis 0,7 Gewichtsprozent hergestellt.
Der Härter ist aus Natriumoxid (Na₂O₃) mit etwa 2,0 Gewichtsprozent, Kaliumoxid (K₂O) mit 82,2 Gewichtsprozent und Silikon (nSiO₂) mit 15,8 Gewichtsprozent hergestellt.
Es ist vorzuziehen, dass die bei der superhydrophilen Membran 11 mit den superhydrophilen Partikeln 110 vermischten Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung nicht weniger als eine Verbindung aus Titandioxid (TiO₂), Cerdioxid (CeO₂) und Zinnoxid (SnO₂) enthalten.
Die Versuchsergebnisse und die Studie der Erfinder der vorliegenden Erfindung zeigen, dass es möglich ist, dass die superhydrophile Membran 11 überragende Eigenschaften besitzt, wenn Titandioxid in einem Bereich von 3,0 bis 13,0 Gewichtsprozent zu dem Gehalt von Siliziumdioxid als das Hauptmaterial als die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung in der superhydrophilen Membran 11 verwendet wird.
Insbesondere ist es vorzuziehen, dass die superhydrophile Membran 11 die superhydrophilen Partikel 110 mit einer Partikelgröße von nicht mehr als 450 nm und in einem Bereich von 87 bis 97 Gewichtsprozent umfasst und die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung mit einer Partikelgröße von nicht mehr als 450 nm und in einem Bereich von 3 bis 13 Gewichtsprozent umfasst.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Variation des Wasserkontaktwinkels und des Ölkontaktwinkels von jedem von mehreren Testmustern der superhydrophilen Membran 11 mit Wasser und Öl beobachtet. Die Testmuster der superhydrophilen Membran 11 weisen ein unterschiedliches Mischungsverhältnis der superhydrophilen Partikel 110 und der Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung auf.
Wenn θ_w1 den Wasserkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 ohne superhydrophile Membran und Wasser angibt und θ_w2 den Wasserkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 mit der superhydrophilen Membran 11 und Wasser angibt, wird bestimmt, dass ein Bereich von nicht mehr als 2/3 des relativen Wasserkontaktwasserwinkels θ_w2/θ_w1 verbesserte superhydrophile Effekte besitzt.
In gleicher Art und Weise wird bestimmt, wenn θ_o1 den Ölkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 ohne superhydrophile Membran und Öl angibt und θ_ο2 den Ölkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 mit der superhydrophilen Membran 11 und Öl angibt, dass ein Bereich von nicht weniger als das 1,5-fache des relativen Ölkontaktwasserwinkels θ_o2/θ_o1 ölabweisende Effekte besitzt.
Die Versuchsergebnisse und die Studie der Erfinder der vorliegenden Erfindung zeigen, dass es vorzuziehen ist, dass die superhydrophile Membran 11 die superhydrophilen Partikel 110 mit einer Partikelgröße von nicht mehr als 450 nm und die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung mit einer Partikelgröße von nicht mehr als 450 nm und in einem Bereich von 3 bis 13 Gewichtsprozent besitzt, um die zuvor beschriebenen bevorzugten Bereiche zu erfüllen.
Es ist möglich, dass die superhydrophile Membran 11 den Wasserkontaktwinkel θ_w2 zwischen dem optischen Fenster 10 mit der superhydrophilen Membran 11 und Wasser besitzt, der nicht größer als 2/3 des Wasserkontaktwinkels θ_w1 zwischen dem optischen Fenster 10 ohne superhydrophile Membran und Wasser ist. Diese Struktur ermöglicht es, kondensiertes Wasser zu verteilen, welches in Abgas enthalten ist und an der Oberfläche des optischen Fensters 10 anhaftet, und den an der Oberfläche des optischen Fensters 10 angehafteten Ölnebel unter Verwendung des verteilten Wassers freizusetzen bzw. abzuspülen.
Ferner ist es möglich, auch wenn ein in der Verbrennungskammer 51 vorliegender Ölnebel an der Oberfläche des optischen Fensters 10 anhaftet, Kohlenwasserstoff als Hauptkomponente des Ölnebels durch das Vorhandensein der Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung in der superhydrophilen Membran 11 vollständig zu oxidieren und abzubauen. Weiter ist es möglich, auch wenn ein Ölnebel nicht-brennbares Metall enthält und dadurch Metalloxid erzeugt wird, das erzeugte Metalloxid durch das verteilte Wasser auf der Oberfläche des optischen Fensters 10 abzuspülen und das erzeugte Metalloxid von der Oberfläche des optischen Fensters 10 auf einfache Art und Weise zu entfernen, da die superhydrophile Membran 11 die ausgezeichneten superhydrophilen Eigenschaften besitzt. Dies ermöglicht es, zu unterdrücken, dass ein Ölnebel an der Oberfläche des optischen Fensters 10 anhaftet und sich dort sammelt.
Es ist möglich, die gleichen Effekte wie vorstehend beschrieben aufzuweisen, falls die Verbrennungskraftmaschine einen flüssigen Kraftstoff verwendet und das von der Verbrennungskraftmaschine ausgestoßene Abgas aufgrund einer unvollständigen Verbrennung Russ usw. enthält. Das heißt, auch wenn Russ auf der Oberfläche des optischen Fensters 10 festgehalten wird bzw. anhaftet und dort angesammelt wird, ist es möglich, den Russ abzuspülen und zu entfernen, so dass dieser auf einfache Art und Weise von der Oberfläche des optischen Fensters 10 entfernt wird. Ferner ist es möglich, die Effekte zum Oxidieren und vollständigen Abbauen von Kohlenstoff als die Hauptkomponente von Russ durch die Katalyse der Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung aufzuweisen.
Die Anregungslichtquelle 13 ist aus einer Halbleiterlaserdiode usw. aufgebaut. Eine solche Halbleiterlaserdiode ist aus Kristallmaterialien, wie GaAlAs, InGaAs usw. hergestellt, welche allgemein bekannt sind.
Die Anregungslichtquelle 13 versetzt einen Anregungslaser LSR_PMP mit einer vorbestimmten Wellenlänge in Schwingung. Es ist möglich, mehrere Halbleiterlaserdioden als die Anregungslichtquelle 13 zu kombinieren und zu verwenden.
Das optische Element 12 ist aus einer Kollimatorlinse 123, einem Laserresonator 122, einer Expansionslinse 121 und einer Kondensorlinse 120 aufgebaut, welche allgemein bekannt sind. Das optische Element 12 wird durch das optische Fenster 10 vor einer hohen Temperatur und einem hohen Druck in der Verbrennungskammer geschützt. Das optische Element 12 ist ebenso als das Laserelement bezeichnet. Die Expansionslinse 121 ist ebenso als die Strahlexpansions- bzw. aufweiteinheit bezeichnet.
Der durch die Anregungslichtquelle 13 in Schwingung versetzte Anregungslaser LSP_PMP wird durch die Kollimatorlinse 123 zu einem parallelen Licht kollimiert bzw. gerichtet. Der Laserresonator 122 nimmt das von der Kollimatorlinse 123 übertragene parallele Licht auf. Die Kollimatorlinse 123 ist aus einem bekannten optischen Material, wie optischem Glas, wärmewiderstandsfähigem Glas, Quarzglas, Saphirglas usw., hergestellt. Eine Antireflexionsbeschichtung ist nach Bedarf auf der Oberfläche der Kollimatorlinse 123 ausgebildet. Es ist annehmbar, dass die Kollimatorlinse 123 eine Kombination einer Mehrzahl von Linsen oder eine Anordnung von Linsen besitzt.
Als der Laserresonator 122 kann ein bekannter Laserresonator vom passiven Q-Switch-Typ verwendet werden. Der Laserresonator 122 ist aus einem Lasermedium, einer auf einer Einfallseite des Lasermediums angeordneten Antireflexionsbeschichtung, einem Totalreflexionsspiegel, einem auf einer Ausgabeseite des Lasermediums angeordneten Sättigungs-Absorptionsmaterial und einem emittierenden Spiegel, der aus einem teilweise reflektierenden Spiegel aufgebaut ist, aufgebaut.
Als das Lasermedium kann ein bekanntes Lasermedium, wie Nd:YAG, verwendet werden, bei welchem Nd in einem YAG-Einkristall dotiert wurde. Der Totalreflexionsspiegel besitzt spezifische Charakteristika, durch welchen ein Impulslaser LSR_PMP mit einer kurzen Wellenlänge läuft, das heißt passiert, und durch welchen der Impulslaser LSR_PLS mit einer langen Wellenlänge vollständig reflektiert wird. Als das Sättigungs-Absorptionsmaterial kann Cr:YAG verwendet werden, bei welchem Cr in einem YAG-Einkristall dotiert wurde.
Wenn der Laserresonator 122 das Anregungslicht LSR_PMP aufnimmt, wird Nd in dem Lasermedium angeregt, um beispielsweise einen Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm auszugeben. Der Laser mit der Wellenlänge von 1064 nm wird in dem Lasermedium aufgenommen. Wenn die in dem Lasermedium gespeicherte Energie ein vorbestimmtes Energieniveau erreicht, gibt der Laserresonator 122 den Impulslaser LSR_PLS mit einer hohen Energiedichte über den auf der vorderen Endseite des Laserresonators 122 angeordneten Ausgangsspiegel aus.
Der von dem Laserresonator 122 ausgegebene Impulslaser LSR_PLS wird durch die Expansionslinse 121 expandiert und durch die Kondensorlinse 120 gebündelt, um die Energiedichte des Impulslasers LSR_PLS bei dem Brennpunkt FP, das heißt, dem komprimierten Punkt, zu erhöhen. Dies ermöglicht es, ein Plasma des Kraftstoffmischgases um den Brennpunkt in der Verbrennungskammer zu erzeugen und einen Flammenkern zu erzeugen.
Es ist möglich, als die Expansionslinse 121 und die Kondensorlinse 120 ein bekanntes optisches Material, wie optisches Glas, wärmewiderstandsfähiges Glas, Quarzglas, Saphirglas usw., zu verwenden.
Das Gehäuse 3 ist aus einem wärmewiderstandsfähigen Metallelement, wie Eisen, Nickel, eine Eisen-Nickel-Legierung, Edelstahl usw., hergestellt. Das Gehäuse 3 besitzt eine zylindrische Gestalt, in welcher das optische Element 12 gehalten und fixiert ist. Das optische Fenster 10 ist auf der vorderen Endseite des Gehäuses 3 angeordnet.
Die Kondensorlinse 120 ist in einem Kondensorlinsenhalter 23 mit einer zylindrischen Gestalt gehalten und durch diesen getragen. Der Kondensorlinsenhalter 23 ist in einem Elementhalterabschnitt 310 angeordnet. Dieser Elementhalterabschnitt 310 ist auf einer vorderen Endseite eines zylindrisch gestalteten Abschnitts 32 des Gehäuses 3 mit einer zylindrischen Gestalt ausgebildet, bei welchem ein Schraub- bzw. Gewindeteil 33 ausgebildet ist, um den zylindrisch gestalteten Abschnitt 32 mit dem Maschinenkopfteil 50 zu verschrauben. Da eine durch den Schraubteil 33 erzeugte Anzugsspannung nicht auf den Kondensorlinsenhalter 23 aufgebracht wird, wird bei einer optischen Achse der Kondensorlinse 120 keine Verzerrung hervorgerufen.
Das optische Fenster 10 ist aus einem bekannten transparenten, wärmebeständigen Glas, wie Saphierglas, Quarzglas usw., hergestellt. Das optische Fenster 10 besitzt eine Struktur, bei welcher eine Einfallfläche und eine Ausgangsfläche parallel zueinander angeordnet sind, und eine konische Oberfläche bei einer äußeren Umfangsfläche in Richtung hin zu der vorderen Endseite ausgebildet ist. Die Einfallfläche des optischen Fensters 10 ist bei dem distalen Ende des optischen Fensters 10 angeordnet, so dass diese der Kondensorlinse 120 zugewandt ist. Die Ausgangsfläche des optischen Fensters 10 ist auf der Vorderseite des optischen Fensters 10 angeordnet, so dass diese der Verbrennungskammer 51 zugewandt ist.
Das optische Fenster 10 ist in einem Halter 22 für das optische Fenster gehalten, welcher eine zylindrische Gestalt mit einer stufenförmig gestalteten Struktur bei der distalen Endseite des optischen Fensters 10 besitzt. Das optische Fenster 10 ist ferner unter Verwendung eines Dichtelements an dem Halter 22 für das optische Fenster fixiert. Ein Dämpfungselement 20 mit einer kreisförmigen Gestalt ist angeordnet, um die auf der vorderen Endseite des optischen Fensters 10 ausgebildete konische Oberfläche zu bedecken.
Das Dämpfungselement 20 ist aus einem Metallelement mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, welcher größer als dieser des das Gehäuse 3 bildenden Elements ist, hergestellt. Das optische Fenster 10 wird durch einen auf der vorderen Endseite des Gehäuses 3 angeordneten Einschlag- und Spann bzw. Dichtteil 30 in eine axiale Dichtung des optischen Fensters 10 gepresst und durch das Dämpfungselement 20 elastisch tragen.
Ein flacher Oberflächenteil auf der distalen Endseite des Kondensorlinsenhalters 23 mit einer zylindrischen Gestalt steht mit einem stufenförmig gestalteten Abschnitt 311 bei dem zylindrisch gestalteten Abschnitt 32 in Kontakt. Ein flacher Oberflächenteil auf der vorderen Endseite des Kondensorlinsenhalters 23 steht mit einem flachen Oberflächenteil auf der distalen Endseite des Halters 22 für das optische Fenster mit einer zylindrischen Gestalt in Kontakt. Ein flacher Oberflächenteil auf der vorderen Endseite des Halters 22 für das optische Fenster steht mit einem flachen Oberflächenteil auf der distalen Endseite des Dämpfungselements 20 in Kontakt.
Der Kondensorlinsenhalter 23, der Halter 22 für das optische Fenster und das Dämpfungselement 20, welche entlang einer axialen Richtung angeordnet sind, sind durch den stufenförmig gestalteten Abschnitt 311 und den Einschlag- und Dichtteil 30 getragen, um einen thermischen Dichtabschnitt 31 auszubilden. Der thermische Dichtabschnitt 31 erzeugt eine axiale Kraft und trägt den Kondensorlinsenhalter 23, den Halter 22 für das optische Fenster und das Dämpfungselement 20 elastisch.
(Herstellungsverfahren)
Es folgt eine Beschreibung einer kurzen Erläuterung des Herstellungsverfahrens der in der Laserzündvorrichtung 1 und der Funkenzündvorrichtung 6 zu verwendenden superhydrophilen Membran 11. Die Funkenzündvorrichtung 6 wird später beschrieben.
Die superhydrophile Membran 11 kann durch Vermischen eines Hauptmaterials und eines Härters mit einem Gewichtsverhältnis von 1:1 hergestellt werden. Das Hauptmaterial ist aus Aluminiumphosphat (AlPO₄), Saphir (das heißt, Aluminiumoxid Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂) und Zinkoxid (ZnO) hergestellt, wie in Tabelle 1 gezeigt ist. Der Härter ist aus Natriumoxid (Na₂O₃), Kaliumoxid (K₂O) und Silikon (nSiO₂) hergestellt, wie in 2 gezeigt ist.
Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, enthält das Hauptmaterial als eine Grundkomponente davon Siliziumdioxid (SiO₂) mit einer Partikelgröße von nicht mehr als 450 nm und in einem Bereich von 90 bis zu 95 Gewichtsprozent. Wie in Tabelle 2 gezeigt ist, enthält der Härter als eine Grundkomponente davon Kaliumoxid (K₂O) in einem Bereich von 80 bis 85 Gewichtsprozent.
Die superhydrophile Membran 11 enthält ferner Kolloidpartikel mit einer Partikelgröße von nicht mehr als 450 nm, zusätzlich zu den superhydrophilen Partikeln 110, wie Aluminiumphosphat, Siliziumdioxid, Saphir (Aluminiumoxid), Zinkoxid usw.
Um die Katalyse der superhydrophilen Membran 11 zu fördern, werden die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung mit einem vorbestimmten Mischungsverhältnis hinzugefügt und mit den superhydrophilen Partikeln 110 vermischt, um die superhydrophile Membran 11 zu erzeugen. Als ein thermischer Anregungskatalysator können Kolloidpartikel mit einer Partikelgröße von nicht mehr als 450 nm verwendet werden, welche zumindest einer oder mehreren Verbindungen aus Titandioxid (T₁O₂), Cerdioxid (CeO₂) und Zinnoxid (SnO₂) entsprechen.
Die superhydrophilen Partikel 110 in einem Bereich von 87 bis 97 Gewichtsprozent und die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung als das Vormaterial des thermischen Anregungskatalysators in einem Bereich von 3 bis 13 Gewichtsprozent werden vermischt. Das erhaltene Gemisch wird in Wasser verteilt, um eine Suspension zu erzeugen. Die erhaltene Suspension wird auf eine Oberfläche eines Glaselements getropft, welches das optische Fenster 10 bildet. Dieses Glaselement wird dann mit einer vorbestimmten Drehzahl (beispielsweise in einem Bereich von 2.000 U/min bis 25.000 U/min) über 2 Minuten rotiert, um eine dünne Schicht auf dem Glaselement als das optische Fenster 10 auszubilden.
Nachfolgend wird das Glaselement bei Raumtemperatur getrocknet und bei einer vorbestimmten Temperatur (beispielsweise in einem Bereich von 350 °C bis 500 °C) gebrannt. Dies erzeugt die superhydrophile Membran 11, welche die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung mit einem vorbestimmten Anteilsverhältnis enthält, als eine Hauptkomponente der vorliegenden Erfindung.
Wie in 2A gezeigt ist, ist die auf der Oberfläche des optischen Fensters 10 ausgebildete superhydrophile Membran 11 aus einem dünnen Film mit einem Brechungsindex n11 (welcher beispielsweise in dem Bereich von 1,30 bis 1,76 liegt) hergestellt, durch welchen ein Impulslaser mit einer vorbestimmten Wellenlänge (beispielsweise Nd:YAG-Laser mit einer Grundwellenlänge λ= 1064 nm) laufen kann. (Dieser dünne Film als die auf dem optischen Fenster 10 ausgebildete superhydrophile Membran 11 besitzt eine optische Dicke n11d = λ/ 4 nm = 266 nm, und eine Film- bzw. Schichtdicke d in einem Bereich von 151 bis 240 nm), wobei Luft den Brechungsindex n0 = 1.0003 besitzt, wobei das optische Fenster 10 einen Brechungsindex n10 in einem Bereich von 1,73 bis 1,83 besitzt, wenn Saphir (das heißt Aluminiumoxid) verwendet wird.
Wenn ein Impulslaser mit der vorbestimmten Wellenlänge auf das optische Fenster 10 mit der zuvor beschriebenen Struktur ausgestrahlt wird, ist es ausreichend, dass der dünne Film als die superhydrophile Membran 11 die optische Dicke n11d von nicht mehr als 266 nm besitzt, so dass dieser dessen maximale Transmission (beispielsweise 99,6 %) besitzt. Unter Berücksichtigung dessen Haltbarkeit und der Herstellungsvariationen ist es ist jedoch vorzuziehen, dass der dünne Film die optische Dicke nlld in einem Bereich von 151 bis 240 nm besitzt.
Wenn Kohlenwasserstoffe (4HnCm) mit der superhydrophilen Membran 11 in Kontakt gebracht werden, tritt zwischen den Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff durch die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung eine chemische Reaktion auf und erzeugt Wasser und Kohlendioxid. Da die superhydrophile Membran 11 einen Teil des erzeugten Wassers absorbieren kann, sieht die superhydrophile Membran 11 eine ölabweisende Funktion vor. Da die superhydrophile Membran 11 den Betrag der an der superhydrophilen Membran 11 anhaftenden Kohlenwasserstoffe reduziert, ermöglicht dies folglich, zu verhindern, dass die Transmission bzw. die optische Durchlässigkeit des Impulslasers abnimmt.
Wie in Tabelle 3 gezeigt ist, ist es annehmbar, dass das Mischungsverhältnis der das Hauptmaterial bildenden Komponenten eine vorbestimmte Spanne besitzt. Es ist ebenso möglich, die in Tabelle 4 gezeigten Materialien als die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung zu verwenden. Die Versuchsergebnisse und die Studie zeigen, dass es möglich ist, dass der aus der superhydrophilen Membran 11 hergestellte dünne Film eine gute Säurebeständigkeit und Basenbeständigkeit, die stabilen superhydrophilen Charakteristika und die thermische Anregungskatalyse besitzt, wenn Titandioxid, Cerdioxid und Zinnoxid verwendet werden.
Da das in Tabelle 4 gezeigte Bewertungsergebnis von Chromoxid (Cr₂O₃) aufgrund der Grundwellenlänge des Nd:YAG-Lasers variiert, wie zuvor beschrieben ist, beeinflussen diese Bewertungsergebnisse eines solchen in Tabelle 4 gezeigten Chromoxids Fälle nicht, wenn ein anderer Impulslaser mit einer unterschiedlichen Grundwellenlänge verwendet wird.
Tabelle 1
Hauptmaterial 50 Gewichtsprozent

Komponenten Molekulargewicht Gewicht (g) Gewichtsverhältnis (wt%)

AlPO₄ 122.0 96.1 5.6

SiO₂ 60.1 1597.1 92.6

Al₂O₃ 102.0 23 1.3

ZnO 81.4 9.2 0.5

Gesamtgewicht 1725.4 100.0
Tabelle 2
Härter 50 Gewichtsprozent

Komponenten Molekulargewicht Gewicht (g) Gewichtsverhältnis (wt%)

Na₂O 62.0 39.4 2.0

K₂O 94.2 1410.8 82.2

nSiO₂ 60.1 270.4 15.8

Gesamtgewicht 1716.1 100.0
Tabelle 3

Zulässiger Bereich des Hauptmaterials

Komponenten	Gewichtsverhältnis (wt%)	Obergrenze	Untergrenze
AlPO₄	5.6	4.0	6.0
SiO₂	92.6	90.0	95.0
Al₂O₃	1.3	1.0	1.5
ZnO	0.5	0.3	0.7
	100.0	0.0	0.0

Tabelle 4

Material	Schmelzpunkt (°)	Übertragung Wellenlänge (nm)		Wasser -löslich	Funktionen
ZrO₂	2677	○	360-5100	○	Thermischer Anregungskatalysator
Cr₂O₃	2435	×	1200-10000	○	Thermischer Anregungskatalysator
Y₂O₃	2410	○	200-12000	○	Thermischer Anregungskatalysator
Al₂O₃	2015	○	150-5500	○	Schutzglas
ZnO	1975	○	450-4000	○	Thermischer Anregungskatalysator
CeO₂	1950	○	400-12000	○	Thermischer Anregungskatalysator
TiO₂	1850	○	430-15000	○	Thermischer Anregungskatalysator
SiO₂	1650	○	160-30000	○	Superhydrophil
SnO₂	1630	○	Transparent nicht weniger als 1060 nm	○	Thermischer Anregungskatalysator
Ta₂O₅	1468	○	300-10000	○	Thermischer Anregungskatalysator
WO₃	1473	○	Nicht weniger als 400	○	Thermischer Anregungskatalysator
Cu₂O	1235	○	Nicht weniger als 590	○	Thermischer Anregungskatalysator
CuO	1201	Δ	Nicht weniger als 1033	Δ	Thermischer Anregungskatalysator

Wie in 2B gezeigt ist, ist es möglich, dass die Ausbildung der superhydrophilen Membran 11 den Wasserkontaktwinkel θ_w1 zu dem Wasserkontaktwinkel θ_w2, welcher nicht mehr als 2/3 des Wasserkontaktwinkels θ_w1 ist, reduziert, wobei der Wasserkontaktwinkel θ_w1 den Kontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 und Wasser darstellt. Diese Struktur ermöglicht es, die superhydrophile Membraneigenschaft des optischen Fensters 10 zu verbessern. Wenn Wasser im Inneren der Verbrennungskammer 52 an der Oberfläche des optischen Fensters 10 anhaftet, wird das Wasser auf der Oberfläche des optischen Fensters 10 verteilt. Dies ermöglicht es, zu unterdrücken, dass ein Ölnebel auf der Oberfläche des optischen Fensters 10 festgehalten wird bzw. anhaftet und dort angesammelt wird.
Darüber hinaus ermöglicht die Ausbildung der superhydrophilen Membran 11, den Kontaktwinkel θ_o1 zwischen dem optischen Fenster 10 und Öl zu dem Ölkontaktwinkel θ_ο2, welcher nicht kleiner als das 1,5-fache des Ölkontaktwinkels θ_o1 ist, zu erhöhen, wie in 2C gezeigt ist. Diese Struktur ermöglicht es, die ölabweisenden Effekte des optischen Fensters 10 zu verbessern. Folglich ist es möglich, den Ölnebel auf einfache Art und Weise von der Oberfläche des optischen Fensters 10 zu entfernen und zu beseitigen, welcher an der Oberfläche des optischen Fensters 10 festgehalten wurde bzw. anhaftet und dort gesammelt wurde.
Nun erfolgt eine Beschreibung des Einflusses auf die superhydrophile Funktion und die ölabweisenden Effekte der superhydrophilen Membran 11 von Variationen des Mischungs- bzw. Zusammensetzungsverhältnisses von Titandioxid als der thermische Anregungskatalysator mit Bezug auf 3A und 3B. Das Mischungsverhältnis von Titandioxid ist durch ein Gewichtsverhältnis (%) eines Gewichts der superhydrophilen Membran zu einem Gewicht von Siliziumdioxid dargestellt.
Wie in 3A gezeigt ist, kann erkannt werden, dass der Wasserkontaktwinkel θ_w2 nicht größer als 2/3 des Wasserkontaktwinkels θ_w1 wird, wenn Titandioxid mit einem Mischungsverhältnis von nicht mehr als 34 Gewichtsprozent und Siliziumdioxid zu dem Gesamtgewicht von Siliziumdioxid und Titandioxid in der superhydrophilen Membran 11 vermischt werden, wobei θ_w1 den Wasserkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 unter Wasser angibt, falls auf der Oberfläche der superhydrophilen Membran 11 keine superhydrophile Membran 11 ausgebildet ist, und θ_w2 den Wasserkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 und Wasser angibt, falls die superhydrophile Membran 11 auf der Oberfläche der superhydrophilen Membran 11 ausgebildet ist.
Bei dieser Struktur ist die superhydrophile Funktion der superhydrophilen Membran 11 umso mehr reduziert, je höher das Mischungsverhältnis bzw. der Zusammensetzungsanteil von Titandioxid ist. Wenn der Zusammensetzungsanteil von Titandioxid andererseits 47 Gewichtsprozent überschreitet, wird der Wasserkontaktwinkel θ_w2 größer als der Wasserkontaktwinkel θ_w1, wenn das optische Fenster 10 keine superhydrophile Membran 11 besitzt.
Darüber hinaus kann erkannt werden, wie in 3B gezeigt ist, dass der Ölkontaktwinkel θ_ο2 nicht kleiner als 1,5 mal der Ölkontaktwinkel θ_ο1 wird, wenn Titandioxid mit einem Zusammensetzungsanteil in einem Bereich von 3 bis 13 % und Siliziumdioxid zu dem Gesamtgewicht von Siliziumdioxid und Titandioxid in der superhydrophilen Membran 11 vermischt werden, wobei θ_o1 den Ölkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 und Öl (Maschinenöl) angibt, falls auf der Oberfläche der superhydrophilen Membran 11 keine superhydrophile Membran 11 ausgebildet ist, und θ_ο2 den Ölkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 und Öl angibt, falls die superhydrophile Membran 11 auf der Oberfläche der superhydrophilen Membran 11 ausgebildet ist.
Bei dieser Struktur sind die ölabweisenden Effekte bzw. Eigenschaften der superhydrophilen Membran 11 umso stärker reduziert, je höher der Zusammensetzungsanteil von Titandioxid ist. Wenn der Zusammensetzungsanteil von Titandioxid andererseits 20 Gewichtsprozent übersteigt und insbesondere nicht kleiner als 40 Gewichtsprozent ist, werden die ölabweisenden Eigenschaften der superhydrophilen Membran 11 annähernd konstant.
Basierend auf den erhaltenen Versuchsergebnissen kann erkannt werden, dass es für Titandioxid als die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung gut ist, dass dieses den Zusammensetzungsanteil von nicht weniger als 3 Gewichtsprozent und nicht mehr als 20 Gewichtsprozent besitzt, und dass dieses noch bevorzugter den Zusammensetzungsanteil von nicht mehr als 13 Gewichtsprozent besitzt. Es ist möglich, einen Ölnebel von der Oberfläche des optischen Fensters 10 auf der Verbrennungskammerseite auf einfache Art und Weise zu entfernen und zu beseitigen, wenn der Wasserkontaktwinkel reduziert ist und der Ölkontaktwinkel erhöht ist.
Wie zuvor beschrieben ist, zeigt die erste beispielhafte Ausführungsform die Laserzündvorrichtung 1 mit der Struktur, bei welcher das optische Fenster 10 direkt der Verbrennungskammer 51 der Verbrennungskraftmaschine 5 zugewandt angeordnet ist. Es ist ebenso möglich, dass die Laserzündvorrichtung 1 eine andere Struktur besitzt, bei welcher eine Hilfsverbrennungskammer zwischen dem optischen Fenster 10 und der Verbrennungskammer 51 ausgebildet ist, und die Hilfsverbrennungskammer ein Einspritzloch besitzt, das mit der Verbrennungskammer in Verbindung steht. Bei dieser Struktur wird ein Teil des Kraftstoffmischgases in die Hilfsverbrennungskammer eingeführt und der Impulslaser LSR_PLS wird bei einem innenliegenden Punkt der Hilfsverbrennungskammer fokussiert bzw. gebündelt, um das Kraftstoffmischgas in der Hilfsverbrennungskammer zu entzünden und einen erzeugten Flammenkern von der Hilfsverbrennungskammer hin zu dem Inneren der Verbrennungskammer 51 einzuspritzen. Dies ermöglicht außerdem, die Verbrennungskraftmaschine 5 zu zünden.
Weiter zeigt die erste beispielhafte Ausführungsform die Laserzündvorrichtung 1 mit der Struktur, bei welcher die superhydrophile Membran 11 direkt auf der Oberfläche des optischen Fensters 10 auf der Verbrennungskammerseite ausgebildet ist. Es ist ebenso annehmbar, eine Antireflexionsbeschichtung zwischen dem optischen Fenster 10 und der superhydrophilen Membran 11 auszubilden, um das Transmissionsverhältnis des Impulslasers LSR_PLS zu erhöhen.
(Zweite beispielhafte Ausführungsform)
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung der Zündvorrichtung gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform mit Bezug auf 4 bis 12.
Die Zündvorrichtung gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform entspricht einer Funkenzündvorrichtung 6. Die Funkenzündvorrichtung 6 besitzt eine Funkenzündkerze 60 als die in der Wand der Verbrennungskammer 51 montierte Zündkerze. Die Verbrennungskraftmaschine 5, auf welche die Funkenzündvorrichtung 6 angewendet wird, besitzt die gleiche Struktur der Verbrennungskraftmaschine 5, welche bei der vorstehend beschriebenen ersten beispielhaften Ausführungsform verwendet wird. Entsprechend sind die gleichen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen und Ziffern bezeichnet und auf die Erläuterung der gleichen Komponenten ist der Kürze halber verzichtet. Es wird der Unterschied zwischen der zweiten beispielhaften Ausführungsform und der ersten beispielhaften Ausführungsform erläutert.
Die Funkenzündvorrichtung 6 ist aus der Funkenzündkerze 60 und einem Leistungszuführungsabschnitt 8, welcher elektrische Leistung hin zu der Funkenzündkerze 60 führt, aufgebaut. Die Funkenzündvorrichtung 6 ist derart angeordnet, dass diese hin zu dem Inneren der Verbrennungskammer 51 vorsteht. Bei der Funkenzündkerze 60 ist ein vorbestimmter Spalt G zwischen Elektroden ausgebildet. Wenn eine hohe Spannung aufgenommen wird, wird in dem Spalt G eine Funkenentladung erzeugt, um das in das Innere der Verbrennungskammer 51 eingeführte Kraftstoffmischgas zu entzünden. Eine Oberfläche des die Funkenzündkerze 60 bildenden kerzenbildenden Elements, welche der Seite der Verbrennungskammer 51 zugewandt ist, ist mit der superhydrophilen Membran 11 bedeckt. Die superhydrophile Membran 11 enthält superhydrophile Partikel 110 und Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung (siehe beispielsweise 2A).
Die Funkenzündkerze 60 besitzt ein Gehäuse 63 mit einer zylindrischen Gestalt, eine Mittelelektrode 61, einen Isolator 7 (als das kerzenbildende Element) und eine Masseelektrode 62, welche an dem Gehäuse 63 fixiert ist. Der Isolator 7 besitzt eine zylindrische Gestalt und trägt die Außenperipherie der Mittelelektrode 61. Der Isolator 7 ist in dem Gehäuse 63 angeordnet und durch dieses getragen, so dass die Mittelelektrode 61 mit einer stabförmigen Gestalt koaxial in einer axialen Öffnung 71 in dem Isolator 7 angeordnet ist. Die axiale Öffnung 71 erstreckt sich entlang einer Axialrichtung des Isolators 7. Die distale Endseite des Isolators 7 ist abgedichtet. Der Isolator 7 ist in dem Gehäuse 63 aufgenommen.
Ein Teil der Masseelektrode 62 auf der vorderen Seite ist in einer L-Gestalt nach innen gekrümmt und ist der vorderen Endseite der Mittelelektrode 61 zugewandt, um den vorbestimmten Spalt G zwischen der Mittelelektrode 61 und der Masseelektrode 62 auszubilden. Die distale Endseite der Masseelektrode 62 ist durch Verschweißen an der vorderen Endfläche des Gehäuses 63 fixiert.
Das Gehäuse 63 der Funkenzündkerze 60 besitzt einen Gewinde- bzw. Schraubabschnitt und einen stufenförmig gestalteten Abschnitt 64. Der Schraubabschnitt ist bei einer äußeren Umfangsseite davon ausgebildet, durch welchen die Funkenzündkerze 60 fixiert wird. Der stufenförmig gestaltete Abschnitt 64 ist bei der inneren Umfangsseite ausgebildet, um einen Zwischenabschnitt 72 mit einem breiten Durchmesser bei dem Isolator 7 zu tragen. Die distale Endseite des Gehäuses 63 ist an der äußeren Umfangsseite des Isolators 7 durch einen abzudichtenden Schraubabschnitt fixiert. Das Dichtelement (nicht gezeigt) und ein Elektrodenanschlussabschnitt sind auf der distalen Endesseite des Isolators 7 angeordnet und aufgenommen. Der Leistungszuführungsabschnitt 8 führt elektrische Leistung über den Elektrodenanschlussabschnitt hin zu der Mittelelektrode 61. Der vordere Endabschnitt des Isolators 7 besitzt aus Sicht von dem stufenförmig gestalteten Abschnitt 64 eine konische Gestalt, bei welcher der Durchmesser des Isolators 7 in Richtung hin zu der vorderen Endseite des Isolators 7 allmählich reduziert ist. Zwischen dem Isolator 7 und dem Gehäuse 63 ist ein Spalt 73 ausgebildet.
Der Isolator 7 ist beispielsweise aus Isolations-Keramikmaterialien, wie Aluminiumoxid, Siliziumdioxid usw., hergestellt. Das Gehäuse 63 ist aus Stahl usw. hergestellt. Die Mittelelektrode 61 ist aus einer Nickellegierung usw. hergestellt. Ein Legierungschip ist bei dem vorderen Endteil der Mittelelektrode 61 ausgebildet und durch Verschweißen fixiert. Der Legierungschip ist beispielsweise aus einer Iridium usw. enthaltenden Legierung hergestellt. Die Masseelektrode 62 ist aus einer Nickellegierung usw. hergestellt.
Wie in 4 gezeigt ist, besitzt die Funkenzündvorrichtung 6 gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform die Struktur, bei welcher der Isolator 7 dem kerzenbildenden Element entspricht, welches die Funkenzündkerze 60 bildet, und die superhydrophile Membran 11 auf der Oberfläche des Isolators 7 ausgebildet ist, welche der Verbrennungskammer 51 zugewandt ist. Wie in 4 gezeigt ist, ist die superhydrophile Membran 11 insbesondere annähernd auf der gesamten Oberfläche des Isolators 7 auf dem Teil der Vorderseite der Funkenzündkerze 60 ausgebildet. Die superhydrophile Membran 11 besitzt die gleiche Struktur der bei der zuvor beschriebenen ersten beispielhaften Ausführungsform verwendeten superhydrophilen Membran 11. Das heißt, die Struktur der superhydrophilen Membran 11 erfüllt eine Beziehung θ_ο2 < θ_w1, wobei θ_w1 den Wasserkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 ohne die superhydrophile Membran 11 und Wasser angibt und θ_w2 den Wasserkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 mit der superhydrophilen Membran 11 und Wasser angibt. Es ist vorzuziehen, dass die superhydrophile Membran 11 den relativen Wasserkontaktwinkel θ_w2/θ_w1 von nicht mehr als 2/3 besitzt, wobei θ_w1 den Wasserkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 ohne superhydrophile Membran und Wasser angibt, und θ_w2 den Wasserkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 mit der superhydrophilen Membran 11 und Wasser angibt (siehe beispielsweise 2B).
Darüber hinaus besitzt die superhydrophile Membran 11 die Beziehung θ_ο2 > θ_ο1, wobei θ_o1 den Ölkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 ohne superhydrophile Membran und Öl angibt, und θ_ο2 den Ölkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster 10 mit der superhydrophilen Membran 11 und Öl angibt.
Es ist vorzuziehen, dass die superhydrophile Membran 11 eine ölabweisende Eigenschaft besitzt, um den Ölkontaktwinkel θ_o1 zwischen dem optischen Fenster 10 und Öl um nicht weniger als das 1,5-fache zu erhöhen. Das heißt, es ist vorzuziehen, dass die superhydrophile Membran 11 den relativen Ölkontaktwinkel θ_ο2/θ_ο1 von nicht weniger als 1,5 besitzt (siehe beispielsweise 2C).
Es ist vorzuziehen, dass die superhydrophile Membran 11 ein Mischungsverhältnis bzw. einen Zusammensetzungsanteil von nicht mehr als 47 % der Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung in einer Gesamtsumme der superhydrophilen Partikel 110 und der Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung besitzt, und dass diese noch bevorzugter den Zusammensetzungsanteil von nicht mehr als 20 % der Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung besitzt.
Die superhydrophile Membran 11 ist aus den superhydrophilen Partikeln 110, den Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung und einem membranbildenden Material, wie einem Binder, einem Härter usw., hergestellt. Das membranbildende Material entspricht einer Binderkomponente, die nicht weniger als eine Materialart aus Phosphat und Metalloxid enthält, um die Haftfähigkeit der superhydrophilen Partikel 110 und der Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung zu erhöhen. In der superhydrophilen Membran 11 enthalten die superhydrophilen Partikel 110 insbesondere Siliziumdioxid (SiO₂), und die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung enthalten nicht weniger als eine Verbindung aus einem Übergangsmetalloxid und Zinnoxid. Das Übergangsmetalloxid entspricht nicht weniger als einer Verbindung aus T₁O₂, ZrO₂, Cr₂O₃, Y₂O₃, ZnO, CeCh, Ta₂O₅, CuO₂, CuO and WO₃. Es ist vorzuziehen, dass die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung, welche in der superhydrophilen Membran 11 mit den superhydrophilen Partikeln 110 vermischt wurden, zumindest eine oder mehrere Verbindungen aus Titandioxid (T₁O₂), Cerdioxid (CeO₂) und Zinnoxid (SnO₂) enthalten.
Die superhydrophile Membran 11 ermöglicht, dass die Oberfläche des Isolators 7 die superhydrophile Funktion, ölabweisende Effekte und statische Elektrizitäts-Schutzef- fekte besitzt. Die Ausbildung der superhydrophilen Membran 11 reduziert einen Haftbetrag einer Ölkomponente und von Kohlenstoff auf der Oberfläche des Isolators 7 und diese entfernt den Ölnebel und Kohlenstoffpartikel auf einfache Art und Weise von der Oberfläche der superhydrophilen Membran 11. Weiter verbrennen die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung in der superhydrophilen Membran 11 den Kohlenwasserstoff und Kohlenstoff, welche in dem an der Oberfläche der superhydrophilen Membran 11 haftenden Ölnebel enthalten sind. Die superhydrophile Funktion und ölabweisende Effekte variieren aufgrund eines Mischungsverhältnisses der superhydrophilen Partikel 110 und der Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung.
Um die ausgezeichneten Effekte vorzusehen, welche durch die Ausbildung der superhydrophilen Membran 11 hervorgerufen werden, ist es vorzuziehen, dass die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung den Zusammensetzungsanteil von nicht mehr als 47 % besitzen, und noch bevorzugter, dass diese den Zusammensetzungsanteil von nicht mehr als 20 % besitzen.
Als ein Beispiel ist die superhydrophile Membran 11 aus einem Gemisch eines Hauptmaterials und eines Härters mit einem Gewichtsverhältnis von 1:1 hergestellt. Das Hauptmaterial ist aus Aluminiumphosphat (AlPO₄) in einem Bereich von 4 bis 6 Gewichtsprozent, Siliziumdioxid (SiO₂) in einem Bereich von 90 bis 95 Gewichtsprozent, Aluminiumoxid (Al₂O₃) in einem Bereich von 1,0 bis 1,5 Gewichtsprozent und Zinkoxid (ZnO) in einem Bereich von 0,3 bis 0,7 Gewichtsprozent hergestellt. Der Härter ist aus Natriumoxid (Na₂O3) mit 2,0 Gewichtsprozent, Kaliumoxid (K₂O) mit 82,2 Gewichtsprozent und Silikon (nSiO₂) mit 15,8 Gewichtsprozent hergestellt.
Die superhydrophile Membran 11 wird durch Vermischen der Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung mit einem Gemisch des Hauptmaterials und des Härters hergestellt. Es ist möglich, dass die zweite beispielhafte Ausführungsform das gleiche Mischungs- bzw. Zusammensetzungsverhältnis der superhydrophilen Partikel 110 und der Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung in der superhydrophilen Membran 11, und das gleiche Herstellungsverfahren der superhydrophilen Membran 11 usw. gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform verwendet.
Die Versuchsergebnisse und die Studie der Erfinder der vorliegenden Erfindung zeigen, dass es zusätzlich zu der superhydrophilen Funktion und den ölabweisenden Eigenschaften möglich ist, dass die superhydrophile Membran 11 überragende Kohlenstoff-Verbrennungscharakteristika besitzt, wenn die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung in einem Bereich von 3,0 bis 13,0 Gewichtsprozent zu dem Gehalt von Siliziumdioxid als das Hauptmaterial in der superhydrophilen Membran 11 verwendet werden. Es ist noch bevorzugter, dass die superhydrophile Membran 11 eine überragende Zündfähigkeit und ausgezeichnete Zündeffekte besitzt, wenn die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung in einem Bereich von 7,5 bis 15 Gewichtsprozent zu dem Gehalt von Siliziumdioxid verwendet werden.
(Versuchsbeispiel)
Es folgt eine Beschreibung der Versuche der Funkenzündvorrichtung 6 mit der in 4 gezeigten Struktur.
Bei den Versuchen wurde die Funkenzündkerze 60 unter Verwendung des nachfolgenden Verfahrens hergestellt, bei welchem die Außenfläche des Isolators 7 mit der superhydrophilen Membran 11 bedeckt wurde.
Bei der Funkenzündkerze 60 wurde die superhydrophile Membran 11 ausgehend von dem Zwischenabschnitt 72 des Isolators hin zu der vorderen Endfläche mit einer Ringgestalt des Isolators 7 über die Außenfläche mit einer konischen Gestalt bei der vorderen Endseite des Isolators 7 kontinuierlich ausgebildet. Die auf der distalen Endseite des Isolators 7 ausgebildete superhydrophile Membran 11 besaß einen Außendurchmesser von 6,4 mmΦ, die auf der vorderen Endseite des Isolators 7 ausgebildete superhydrophile Membran 11 besaß einen Außendurchmesser von 4,2 mmΦ. Die superhydrophile Membran 11 besaß eine axiale Länge von 13,2 mm. Das Gehäuse 63, welches der superhydrophilen Membran 11 zugewandt ist, besaß einen Innendurchmesser von 7,3 mmΦ. Der Schraubteil des Gehäuses 63 besaß einen nominellen Durchmesser von M12.
Es wurde eine Beschichtungslösung vorbereitet, um die superhydrophile Membran 11 zu erzeugen. Der Versuch verwendete eine Lösung A, welche Siliziumdioxid als ein Rohmaterial der superhydrophilen Partikel 110 enthält, und eine Lösung B, welche Titandioxid als ein Rohmaterial der Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung enthält. Die Lösung A wurde durch Vermischen von Siliziumdioxid als das Hauptmaterial und einem Binder usw. vorbereitet.
Das heißt, der Versuch verwendete Siliziumdioxid-Sol („Zero Clear“ (registrierte japanische Marke), durch die GOGO-Corporation hergestellt), welches das Hauptmaterial mit dem in 3 gezeigten Zusammensetzungsverhältnis bzw. -anteil und einen Härter mit dem in 2 gezeigten Zusammensetzungsanteil enthält.
Ferner verwendete der Versuch als die Lösung B Titandioxid-Sol („TKD-801“, der Gewichtsmitteldurchmesser von TiO₂ beträgt 78 mm, die Konzentration von TiO₂ beträgt 17 Gewichtsprozent, PH=7, hergestellt durch die TAYCA-Corporation).
Der Versuch vermischte die Lösung A und die Lösung B, um Titandioxid mit einem Gewichtsverhältnis von 0,4, 7,5, 10, 12,5, 15, 20, 40, 60 und 100 (Gewichtsprozent) basierend auf einem Gewichtsverhältnis von Siliziumdioxid und Titandioxid in der Lösung A und der Lösung B zu enthalten.
Die vorbereiteten Lösungen mit den zuvor beschriebenen Mischungsverhältnissen bzw. Zusammensetzungsanteilen wurden auf die Oberfläche jedes Isolators 7 aufgebracht und die Isolatoren 7 wurden gebrannt, um verschiedene Typen der superhydrophilen Membran 11 zu erzeugen. Bei dem Verfahren zum Brennen des Isolators 7, das heißt, der superhydrophilen Membran 11, wurde die Mittelelektrode 61 in das Innere der axialen Öffnung 71 des Isolators 7 eingeführt und fixiert. Nachfolgend wurde ein Plasma auf die Außenfläche des Isolators 7, auf welcher die superhydrophile Membran 11 ausgebildet würde, ausgestrahlt, um Öl und Staub zu entfernen, welche die Haftung der superhydrophilen Membran 11 auf der Außenfläche des Isolators 7 reduzieren würden. Die Beschichtungslösung wurde auf die Außenfläche des Isolators 7 unter Verwendung einer Luftsprühpistole aufgebracht. Der Isolator 7 wurde über 30 Minuten getrocknet und für zwei Stunden in einer Luftatmosphäre bei 500 °C gehalten und anschließend abgekühlt. Dies erzeugt die superhydrophile Membran 11 mit einer vorbestimmten Dicke (beispielsweise 10 µm) auf der Außenfläche des Isolators 7, wie durch eine fette gepunktete in 4 gezeigte Linie dargestellt ist.
Die Masseelektrode 62 wurde durch Verschweißen an dem Gehäuse 63 fixiert und an der Außenseite des Isolators 7 mit der Mittelelektrode 61 angebracht. Der distale Endrandabschnitt des Gehäuses 63 wurde abgedichtet und fixiert, um die Funkenzündkerze 60 zu erzeugen.
Die erzeugte Funkenzündkerze 60 wurde über eine Dichtung (nicht gezeigt) an einer Montageöffnung in der Wand der Verbrennungskammer 51 unter Verwendung eines Gewindes fixiert. Dies sieht eine Luftdichtigkeit zwischen der Funkenzündkerze 60 und der Verbrennungskammer 51 vor. Der Leistungszuführungsabschnitt 8 wurde mit der Mittelelektrode 61 der Funkenzündkerze 60 verbunden, um die Funkenzündvorrichtung 6 zu erzeugen.
5 zeigt eine Beziehung zwischen dem Wasserkontaktwinkel und einem Mischungsverhältnis bzw. Zusammensetzungsanteil von Titandioxid (das heißt, in einem Bereich von 1 bis 100 Gewichtsprozent) zu Siliziumdioxid, das heißt, diese zeigt die Versuchsergebnisse, wenn der Wasserkontaktwinkel der superhydrophilen Membran 11 und Wasser nach dem Tropfen eines Tropfens von destilliertem Wasser auf die Oberfläche der superhydrophilen Membran 11 erfasst wurde.
In gleicher Art und Weise zu dem Fall der zuvor beschriebenen, in 3A gezeigten ersten beispielhaften Ausführungsform bewertet die zweite beispielhafte Ausführungsform die superhydrophile Funktion der Funkenzündkerze 60 unter Verwendung des relativen Wasserkontaktwinkels θ_w2/θ_w1, wobei θ_w1 den Wasserkontaktwinkel zwischen dem Isolator 7 ohne superhydrophile Membran und Wasser angibt, und θ_w2 den Wasserkontaktwinkel zwischen dem Isolator 7 mit der superhydrophilen Membran 11 und Wasser angibt.
Wie in 5 gezeigt ist, wird die superhydrophile Funktion des Isolators 7 mit der superhydrophilen Membran 11 höher als diese des Isolators 7 ohne die superhydrophile Membran 11, wenn der Zusammensetzungsanteil von Titandioxid zu Siliziumdioxid nicht mehr als 47 Gewichtsprozent betrug, das heißt, wenn θ_w2 <θ_w1 gilt.
Dieser Bereich ermöglicht es, dass die auf der Oberfläche des Isolators 7 ausgebildete superhydrophile Membran 11 das durch die Verbrennung in der Verbrennungskammer erzeugte Wasser auf einfache Art und Weise absorbiert, und das Vorliegen des absorbierten Wassers ermöglicht es, dass der Isolator 7 die verbesserten ölabweisenden Effekte besitzt. Ferner, da der relative Wasserkontaktwinkel θ_w2 /θ_w1 aufgrund der Reduktion des Zusammensetzungsverhältnisses von Titandioxid zu Siliziumdioxid klein wird. Der relative Wasserkontaktwinkel θ_w2 θ_w1 besitzt den minimalen Wert, wenn das Zusammensetzungsverhältnis von Titandioxid zu Siliziumdioxid annähernd 20 %, oder nicht mehr als 20 % beträgt.
6 zeigt eine Beziehung zwischen dem Ölkontaktwinkel und einem Mischungsverhältnis von Titandioxid (das heißt, in einem Bereich von 1 bis 100 Gewichtsprozent) zu Siliziumdioxid, das heißt, diese zeigt die Versuchsergebnisse, wenn der Ölkontaktwinkel der superhydrophilen Membran 11 und Öl nach einem Tropfen eines Tropfens von Maschinenöl auf die Oberfläche der superhydrophilen Membran 11 erfasst wurde.
In gleicher Art und Weise zu dem Fall der zuvor beschriebenen, in 3B gezeigten ersten beispielhaften Ausführungsform bewertet die zweite beispielhafte Ausführungsform die ölabweisenden Effekte der Funkenzündkerze 60 unter Verwendung des relativen Ölkontaktwinkels θ_O2/θ_O1, wobei θ_O1 den Ölkontaktwinkel zwischen dem Isolator 7 ohne superhydrophile Membran und Maschinenöl angibt, und θ_O2 den Ölkontaktwinkel zwischen dem Isolator 7 mit der superhydrophilen Membran 11 und Maschinenöl angibt.
Wie in 6 gezeigt ist, werden die ölabweisenden Effekte des Isolators 7 mit der superhydrophilen Membran 11 ferner höher als diese des Isolators 7 ohne die superhydrophile Membran 11, wenn das Mischungsverhältnis bzw. der Zusammensetzungsanteil von Titandioxid zu Siliziumdioxid nicht mehr als 20 Gewichtsprozent betrug, das heißt, wenn θ_O2 > θ_O1. Diese spezifischen Charakteristika ermöglichen es, einen Gesamtbetrag von Materialien, wie Maschinenöl, Ottokraftstoff, Kohlenstoff usw., welche im Inneren der Verbrennungskammer 51 in Umlauf sind und an der Oberfläche des Isolators festgehalten bzw. anhaften würden, zu reduzieren.
7 zeigt die Versuchsergebnisse der Katalysatorcharakteristika von Titandioxid, wenn der Zusammensetzungsanteil (das heißt, in einem Bereich von 4 bis 40 Gewichtsprozent) von Titandioxid zu Siliziumdioxid verändert wurde, das heißt, diese zeigt ein Restverhältnis einer Kohlenstoffablagerung auf dem Isolator aufgrund der Verwendungsbedingungen der Funkenzündkerze. Insbesondere wurden mehrere superhydrophile Membranen 11 vorbereitet, welche einen unterschiedlichen Zusammensetzungs- bzw. Mischungsbereich von Titandioxid in dem Bereich von 4 bis 40 Gewichtsprozent besaßen. Diese superhydrophilen Membranen 11 wurden in einem Mörser pulverisiert. Die pulverisierte superhydrophile Membran 11 und die Kohlenstoffablagerung (welche Maschinenöl, Ottokraftstoff, Kohlenstoff usw. enthielt), welche von der Oberfläche der Funkenzündkerze erhalten wurde, wurden vermischt, um ein Testmuster zu erzeugen. Die erhaltenen mehreren Testmuster wurden bei unterschiedlichen Temperaturen gebrannt, um ein thermisches Gewicht des Testmusters zu erfassen, und es wurde ein Restverhältnis der Kohlenstoffablagerung auf dem Testmuster erfasst. Der Versuch verwendete ein Vergleichsmuster, bei welchem die Ablagerung lediglich Kohlenstoff enthielt.
Wie in 7 gezeigt ist, wird die Kohlenstoffablagerung hinsichtlich des Betrags gemäß dem Temperaturanstieg drastisch reduziert, wenn die mehreren Testmuster Titandioxid in einem Bereich von 4 bis 40 Gewichtsprozent enthalten. Insbesondere wird das Restverhältnis der Kohlenstoffablagerung auf dem Testmuster bei einer Temperatur von nicht weniger als 350 °C im Vergleich zu dem Testmuster lediglich mit Kohlenstoff als die Ablagerung kleiner als 10 %. Ferner ist das Restverhältnis der Kohlenstoffablagerung auf dem Testmuster bei einer Temperatur von nicht weniger als 400 °C weiter reduziert. Folglich kann erkannt werden, dass die Katalyse von Titandioxid, welches in der superhydrophilen Membran 11 enthalten ist, die oxidative Verbrennung von Kohlenstoff drastisch fördert.
8 zeigt Erfassungsergebnisse des Restverhältnisses der Kohlenstoffablagerung auf dem Isolator als das Testmuster bei einer Temperatur von 350 °C, wenn der Zusammensetzungsanteil (das heißt, in einem Bereich von 4 bis 40 Gewichtsprozent) von Titandioxid zu Siliziumdioxid verändert wurde.
Wie in 8 gezeigt ist, ist klar verständlich, dass die Katalyse von Titandioxid nicht drastisch variiert, wenn der Zusammensetzungsanteil von Titandioxid variiert wird. Das heißt, das Vorliegen von Titandioxid als die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung sieht dessen Katalysatorcharakteristika bzw. -eigenschaften bei der superhydrophilen Membran 11 vor und fördert die Verbrennung von an der Oberfläche des Isolators 7 haftenden Kohlenstoffpartikeln. Dies ermöglicht es, die Ausbreitung der Funkenentladung, welche durch einen an der Oberfläche des Isolators 7 haftenden Kohlenstoff mit einer hohen Leitfähigkeit hervorgerufen wird, in Richtung hin zu der innersten Seite der Funkenzündkerze zu verhindern. Folglich sieht die zweite beispielhafte Ausführungsform die Funkenzündkerze 60 mit einer Anti-Glimm (Smoldering)-Funktion vor.
9 zeigt die Versuchsergebnisse des Glimmtests der mit der Funkenzündkerze 60 mit der in 4 gezeigten Struktur ausgerüsteten Funkenzündvorrichtung 6.
Es wurde die superhydrophile Membran 11 hergestellt, so dass der Zusammensetzungsanteil von Titandioxid zu Siliziumdioxid 10 Gewichtsprozent betrug und eine Dicke davon 10 µm betrug. Der Glimmtest der Funkenzündvorrichtung 6 wurde basierend auf dem Glimmtestmuster (das heißt, JIS D 1606) durchgeführt, welches in dem japanischen Industriestandard (JIS) bestimmt ist. Der Test verwendete eine Vierzylinderreihenmaschine mit einem Bohrungsdurchmesser von Φ80,5, einem Hub von 78,5 mm, einer DOHC, sechszehn Ventilen und einem Saugrohreinspritzsystem.
9 zeigt die Vergleichsergebnisse des Fehlzündungsverhältnisses der Funkenzündkerze 60 zwischen dem Isolator 7, auf welchem die superhydrophile Membran 11 ausgebildet war, und dem Isolator 7 ohne die superhydrophile Membran 11. Wie aus 9 ersichtlich ist, erlitt die Funkenzündkerze 60 mit dem Isolator 7 ohne die superhydrophile Membran 11 eine Fehlzündung bei dem dritten Zyklus und die Maschine unter Verwendung dieser Funkenzündkerze 60 startete bei dem siebten Zyklus nicht. Die Maschine mit der Funkenzündkerze 60 mit der superhydrophilen Membran 11 startete andererseits über 20 Zyklen korrekt und erlitt keine Fehlzündung.
Wie in 10 gezeigt ist, unterschied sich der Haftzustand von Kohlenstoff auf der Vorderseite der Funkenzündkerze 60 mit der superhydrophilen Membran 11 drastisch von diesem auf der Vorderseite der Funkenzündkerze 60 ohne die superhydrophile Membran 11.
Das heißt, wie auf der rechten Seite in 10 gezeigt ist, haftete bei der Funkenzündkerze 60 mit dem Isolator 7 mit der superhydrophilen Membran 11 ein geringerer Betrag an Kohlenstoffpartikeln um die Mittelelektrode 61 der Oberfläche des Isolators 7. In diesem Fall war die auf der Oberfläche des Isolators ausgebildete superhydrophile Membran 11 freiliegend.
Andererseits wurde auf der Oberfläche des Isolators 7 ohne die superhydrophile Membran 11 auf der linken Seite in 10 die Kohlenstoffablagerung erfasst. Das heißt, durch den auf der Oberfläche des Isolators 7 gesammelten Kohlenstoff wurde ein Leitungspfad erzeugt und die Fehlzündung trat aufgrund der Kohlenstoffablagerung auf.
Es existiert der Effekt, dass die Funkenzündkerze 60 mit dem Isolator 7 mit der superhydrophilen Membran 11 die deutlich verbesserte Zündfähigkeit besitzt, da die superhydrophile Membran 11 den Leitungspfad der auf der Oberfläche des Isolators 7 gesammelten Kohlenstoffablagerung unterbricht.
11 zeigt die Erfassungsergebnisse der Anzahl von Testzyklen bis die Fehlzündung auftrat, wenn der Zusammensetzungsanteil von Titandioxid (SiO₂) in der superhydrophilen Membran 11 in einem Bereich von 0 bis 50 Gewichtsprozent verändert wurde. Die in 11 gezeigten Erfassungsergebnisse geben an, dass die Anzahl der Testzyklen, bis die Fehlzündung auftrat, gemäß der Zunahme des Zusammensetzungsanteils von Titandioxid zunimmt. Wenn der Zusammensetzungsanteil von Titandioxid annähernd 10 Gewichtsprozent betrug, wurde die Anzahl von Testzyklen zu dem Maximalwert. Wenn der Zusammensetzungsanteil von Titandioxid 10 Gewichtsprozent überschritt, wurde die Anzahl der Testzyklen erneut reduziert.
Wenn der Zusammensetzungsanteil von Titandioxid 30 Gewichtsprozent überstieg, wurde die Anzahl der Testzyklen zu einem konstanten Wert, welcher annähernd gleich dem Fall war, wenn der Isolator 7 der Funkenzündkerze 60 die superhydrophile Membran 11 nicht besaß. Entsprechend zeigen die Versuchsergebnisse deutlich, dass es vorzuziehen ist, Titandioxid mit dem Zusammensetzungsanteil in einem Bereich von 7,5 bis 15 Gewichtsprozent bei der auf der Oberfläche des Isolators 7 der Funkenzündkerze 60 auszubildenden superhydrophilen Membran 11 zu verwenden. (Das heißt, es ist vorzuziehen, den Zusammensetzungsanteil von Titandioxid so zu bestimmen, dass die Anzahl der Zyklen bis die Fehlzündung auftritt, nicht kleiner als 10 Zyklen ist.)
12 zeigt die Erfassungsergebnisse der Anzahl von Testzyklen, bis die Fehlzündung auftrat, wenn der Zusammensetzungsanteil von Titandioxid (SiO₂) in der superhydrophilen Membran 11 10 Gewichtsprozent betrug und eine Dicke der superhydrophilen Membran 11 in einem Bereich von 0 bis 50 µm verändert wurde. Die in 12 gezeigten Erfassungsergebnisse geben an, dass die Anzahl der Testzyklen, bis die Fehlzündung aufgetreten ist, gemäß der Zunahme der Dicke der superhydrophilen Membran 11 zunimmt.
Wenn die Dicke der superhydrophilen Membran 11 etwa 10 µm betrug, wurde die Anzahl der Testzyklen zu dem Maximalwert. Wenn die Dicke der superhydrophilen Membran 11 10 µm überstieg, wurde die Anzahl der Testzyklen erneut reduziert.
Wenn die Dicke der superhydrophilen Membran 11 etwa zu 40 µm wurde, wurde die Anzahl der Testzyklen zu einem konstanten Wert, der etwa gleich zu dem Fall war, wenn der Isolator 7 der Funkenzündkerze 60 die superhydrophile Membran 11 nicht besaß.
Entsprechend zeigen die Versuchsergebnisse deutlich, dass es vorzuziehen ist, die superhydrophile Membran 11 mit der Dicke in einem Bereich von 3 bis 30 µm zu verwenden, die auf der Oberfläche des Isolators 7 der Funkenzündkerze 60 ausgebildet ist.
(Dritte beispielhafte Ausführungsform)
Es folgt eine Beschreibung der durch die Funkenzündvorrichtung 6 gemäß der dritten beispielhaften Ausführungsform zu verwendenden Funkenzündkerze 60 mit Bezug auf 13.
Wie in 13 gezeigt ist, ist es möglich, ein Beschichtungsmuster und einen Bereich der superhydrophilen Membran 11, welche auf der Oberfläche des Isolators 7 bei der Funkenzündkerze 60 in der Funkenzündvorrichtung 6 ausgebildet ist, gemäß der dritten beispielhaften Ausführungsform zu verändern.
Wie in 13 gezeigt ist, ist die superhydrophile Membran 11 bei der Funkenzündkerze 60 gemäß der dritten beispielhaften Ausführungsform auf drei Ausbildungsbereichen, das heißt, auf einem Bereich C1 auf der Vorderseite, einem Bereich C2 auf der mittleren Seite und einem Bereich C3 auf der distalen Endseite des Isolators 7 ausgebildet, welche bei einem vorbestimmten Abstand ausgebildet sind. Es ist ebenso möglich, die Länge von jedem Bereich aus dem Bereich C1, dem Bereich C2 und dem Bereich C3 auf eine unterschiedliche Länge entlang der axialen Richtung des Isolators 7 zu verändern. Es ist ebenso möglich, den Bereich C1, den Bereich C2 und den Bereich C3 bei einem unterschiedlichen Abstand auf der Oberfläche des Isolators 7 auszubilden.
Das Verfahren zum Ausbilden der superhydrophilen Membran 11, die Struktur der Funkenzündvorrichtung 6 sind gleich diesen der ersten beispielhaften Ausführungsform. Auf die Erläuterung der gleichen Komponenten und des Verfahrens ist hier der Kürze halber verzichtet.
Es ist nicht notwendig, die gesamte äußere Oberfläche des Isolators 7 auszubilden. Wie zuvor beschrieben ist, ist es möglich, die Herstellungskosten der superhydrophilen Membran 11 zu reduzieren, wenn die superhydrophile Membran 11 auf unterschiedlichen Bereichen auf der Vorderseite und der distalen Endseite des Isolators 7 ausgebildet ist.
Es ist vorzuziehen, die superhydrophile Membran 11 zumindest auf der vorderen Endseite des Isolators 7 auszubilden, wenn die superhydrophile Membran 11 auf einem Teil der Oberfläche des Isolators 7 ausgebildet wird.
Wenn die Verbrennungskammer der Verbrennungskraftmaschine bei einer niedrigen Temperatur arbeitet, beispielsweise wenn die Verbrennungskraftmaschine startet, ist es möglich, dass eine Temperatur auf der vorderen Endseite des Isolators 7 bei der Funkenzündkerze 60 schnell zunimmt. Da die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung, wie Titandioxid, welche in dem Bereich C1 der auf der vorderen Endseite auf der Oberfläche des Isolators 7 ausgebildeten superhydrophilen Membran 11 enthalten sind, die Katalysatoraktivierungstemperatur davon schnell und auf einfache Art und Weise erreichen, ist es möglich, bei dem Bereich C1 auf der vorderen Endseite des Isolators 7 angehaftete Kohlenstoffpartikel auf einfache Art und Weise zu verbrennen. Da der Bereich C2 auf der mittleren Seite und der Bereich C3 auf der distalen Endseite des Isolators 7 eine Temperatur aufweisen, die niedriger als die Temperatur auf der vorderen Endseite des Isolators 7 ist, werden andererseits Kohlenstoffpartikel, die sich auf dem Bereich C2 und dem Bereich C3 angelagert haben, nicht verbrannt und verbleiben in einem Niedrigtemperaturzustand der Funkenzündkerze 60, wenn die Verbrennungskraftmaschine startet. Die verbleibenden bei dem Bereich C2 und dem Bereich C3 angelagerten Kohlenstoffpartikel werden verbrannt, abgebaut und von der Oberfläche des Isolators 7 entfernt, wenn die Temperatur der Funkenzündkerze 60 gemäß einer Zunahme der Last der Verbrennungskraftmaschine geeignet zunimmt und die Katalysatoraktivierungstemperatur davon erreicht.
(Vierte beispielhafte Ausführungsform)
Es folgt eine Beschreibung der durch die Funkenzündvorrichtung 6 gemäß der vierten beispielhaften Ausführungsform zu verwendenden Funkenzündkerze 60 mit Bezug auf 14.
Wie in 14 gezeigt ist, ist es möglich, dass der Isolator 7 bei der Funkenzündkerze 60 eine unebene Oberflächenstruktur besitzt. Die Funkenzündkerze 60 der Funkenzündvorrichtung 6 gemäß der vierten beispielhaften Ausführungsform besitzt beispielsweise den Isolator 7, bei welchem beinahe die gesamte äußere Oberfläche, welche der inneren Oberfläche der in dem Gehäuse 63 angeordneten Montagebefestigung zugewandt ist, einen unebenen Oberflächenbereich 74 besitzt.
Die superhydrophile Membran 11 ist auf der äußeren Oberfläche des Isolators 7 beschichtet und ausgebildet, welche die vordere Endseite des Isolators 7 umfasst. Diese Struktur ermöglicht es, den Kontaktoberflächenbereich der Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung, wie Titandioxid, welche in der superhydrophilen Membran 11 enthalten sind, mit Kohlenstoff zu erhöhen und die Oxidationsverbrennung der an der Oberfläche des Isolators 7 angelagerten Kohlenstoffpartikel zu fördern.
Darüber hinaus ermöglicht diese Struktur, zu verhindern, dass der Isolationswiderstand des Isolators 7 reduziert wird, da die Ausbildung der superhydrophilen Membran 11 auf der Oberfläche des Isolators 7 Risse in den an der Oberfläche des Isolators 7 haftenden Kohlenstoffpartikeln erzeugt. Darüber hinaus ermöglicht es diese Struktur des Isolators 7, die Haftung der superhydrophilen Membran 11 auf der Oberfläche des Isolators 7 durch den Ankereffekt zu erhöhen. Es ist ebenso annehmbar, den Ausbildungsbereich und die Gestalt des unebenen Bereichs 74 anforderungsgemäß optional anzupassen.
(Fünfte beispielhafte Ausführungsform)
Es folgt eine Beschreibung der durch die Funkenzündvorrichtung gemäß der fünften beispielhaften Ausführungsform zu verwendenden Funkenzündkerze mit Bezug auf 15.
Die zuvor beschriebenen ersten bis vierten beispielhaften Ausführungsformen zeigen die verschiedenen Strukturen, bei welchen die superhydrophile Membran 11 auf der äußeren Oberfläche auf der vorderen Endseite des Isolators 7 ausgebildet ist. Es ist ebenso möglich, die superhydrophile Membran 11 sowohl auf der äußeren Oberfläche als auch der inneren Oberfläche auf der vorderen Endseite des Isolators 7 auszubilden. Diese Struktur der superhydrophilen Membran 11 ermöglicht es, Kohlenstoff, welcher zwischen der Mittelelektrode 61 und dem Isolator 7 aufgenommen ist, weiter zu verbrennen.
Es ist ebenso annehmbar, zusätzlich zu dem zuvor beschriebenen Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtungslösung auf den Isolator verschiedene andere Verfahren zum Ausbilden der superhydrophilen Membran 11 zu verwenden.
Beispielsweise ist es möglich, die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung, wie Titandioxid usw., mit dem zuvor beschriebenen Zusammensetzungsanteil (beispielsweise 10 Gewichtsprozent) zu dem Zusammensetzungsanteil von Siliziumdioxid zu verwenden, wenn ein Isolations-Keramikmaterial, welches den Isolator 7 bildet, Siliziumdioxid enthält. Bei dieser Struktur wird in gleicher Art und Weise wie bei der auf die Funkenzündvorrichtung 6 gemäß der fünften beispielhaften Ausführungsform anzuwendenden Funkenzündkerze 60 das die Katalysatorpartikel 111 für eine thermische Anregung, wie Titandioxid, enthaltende Isolations-Keramikmaterial auf die Oberfläche auf der vorderen Endseite des Isolators 7 aufgebracht. Dies erzeugt die superhydrophile Membran 11 auf der Oberfläche des Isolators. In diesem Fall ist es ausreichend, ein Isolations-Keramikmaterial mit einem vorbestimmten Mischungs- bzw. Zusammensetzungsverhältnis im Vorhinein vorzubereiten und dieses durch den herkömmlichen Brennvorgang zu brennen. Dies beseitigt den Ausbildungsschritt zum Ausbilden der superhydrophilen Membran 11. Da die superhydrophile Membran 11 ebenso auf der inneren Oberfläche des Isolators 7 ausgebildet ist, ist es darüber hinaus möglich, Kohlenstoff auf einfache Art und Weise zu oxidieren und zu verbrennen, welcher zwischen der Mittelelektrode 61 und dem Isolator 7 gesammelt ist.
(Sechste beispielhafte Ausführungsform)
Es folgt eine Beschreibung der durch die Funkenzündvorrichtung gemäß der sechsten beispielhaften Ausführungsform zu verwendenden Funkenzündkerze mit Bezug auf 16. Das heißt, es ist möglich, anstelle der Verwendung der Grundstruktur der Funkenzündkerze 60 gemäß der zuvor beschriebenen zweiten beispielhaften Ausführungsform die in 16 gezeigte Struktur der Funkenzündkerze 60 zu verwenden.
Da die sechste beispielhafte Ausführungsform die Struktur der superhydrophilen Membran 11, das Verfahren zum Ausbilden der superhydrophilen Membran 11, den Ausbildungsbereich auf dem Isolator 7 und die weitere Struktur der Funkenzündvorrichtung 6 verwendet, welche gleich diesen der zuvor beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sind, ist hier der Kürze halber auf die Erläuterung der gleichen Komponenten und Verfahren verzichtet.
Wie in 16 gezeigt ist, besitzt die Funkenzündvorrichtung 6 gemäß der sechsten beispielhaften Ausführungsform eine Struktur vom Doppel-Elektrodentyp, bei welcher zwei Masseelektroden 62 auf beiden Seiten der Mittelelektrode 61 angeordnet sind, so dass die vorderen Endseiten der beiden Masseelektroden 62 den vorderen Endseitenoberflächen der Mittelelektrode 61 zugewandt sind.
Ferner steht der innere Umfangsrandabschnitt auf der vorderen Endseite des Gehäuses 63 nach Innen vor, um eine zusätzliche Masseelektrode 65 auszubilden.
Die Funkenzündkerze 60 vom Doppel-Elektrodentyp mit der zuvor beschriebenen Struktur besitzt die Funktion zum Verbrennen von Kohlenstoffpartikeln, die auf dem Isolator 7 abgelagert und gesammelt wurden, durch Funken, die hin zu der zusätzlichen Masseelektrode 65 fliegen. Zusätzlich zu dieser Struktur ist die superhydrophile Membran 11 auf der Oberfläche des Isolators 7 ausgebildet. Diese verbesserte Struktur ermöglicht es, die Katalyse von Titandioxid TiO₂ zu fördern und die Funktion zum Verbrennen und Abbauen des auf dem Isolator 7 gesammelten Kohlenstoffs zu verbessern und diesen von dem Isolator 7 zu entfernen.
(Siebte beispielhafte Ausführungsform)
Es folgt eine Beschreibung der durch die Funkenzündvorrichtung gemäß der siebten beispielhaften Ausführungsform zu verwendenden Funkenzündkerze mit Bezug auf 17.
Es ist möglich, dass die Funkenzündvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung anstelle der Verwendung der Funkenzündkerze vom Doppel-Elektrodenstrukturtyp eine Funkenzündkerze vom Multi-Elektrodentyp verwendet. Bei der in 17 gezeigten Struktur der Funkenzündkerze 60 gemäß der siebten beispielhaften Ausführungsform sind zusätzliche Masseelektroden 65 bei drei Positionen auf der vorderen Endfläche der Montagebefestigung des Gehäuses 63 angeordnet, und der vordere Endabschnitt der zusätzlichen Masseelektroden 65 ist dem vorderen Endseiten-Oberflächenabschnitt der Mittelelektrode 61 zugewandt angeordnet. Ferner ist die superhydrophile Membran 11 auf der Oberfläche des Isolators 7 ausgebildet. Diese verbesserte Struktur ermöglicht es, Gleiches vorzusehen, wie die Effekte der Funkenzündvorrichtung gemäß jeder der zuvor beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen.
(Achte beispielhafte Ausführungsform)
Es folgt eine Beschreibung der durch die Funkenzündvorrichtung 6 gemäß der achten beispielhaften Ausführungsform zu verwendenden Funkenzündkerze 60 mit Bezug auf 18.
Wie in 18 gezeigt ist, ist bei der Struktur der Funkenzündkerze 60 vom Doppel-Elektrodenstrukturtyp der vordere Endabschnitt von jeder der Masseelektroden 62 eines Doppel-Elektrodenstrukturtyps, welche einander zugewandt sind, entlang einer vorderen Oberfläche des Isolators 7 angeordnet, und um die vordere Endfläche des Isolators 7 zu verschließen. Wenn die superhydrophile Membran 11 auf der Oberfläche des Isolators 7 ausgebildet ist, ist es möglich, dass die Funkenzündkerze 60 mit dieser Struktur die gleichen Effekte besitzt, wie die Effekte der Funkenzündkerze 60 in der Funkenzündvorrichtung gemäß der zuvor beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen.
Wie zuvor detailliert beschrieben ist, ist es möglich, dass die superhydrophile Membran 11 mit der superhydrophilen Funktion, den ölabweisenden Effekten und der Katalyse einen Betrag einer auf der Oberfläche des Isolators 7 abgelagerten und gesammelten Ablagerung reduziert und die Zündfähigkeit der Funkenzündkerze verbessert und die Haltbarkeit der Funkenzündkerze 60 erhöht.
Das Konzept der Funkenzündvorrichtung 6 gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht durch die Strukturen gemäß jeder der zuvor beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt. Es ist möglich, dass die Funkenzündvorrichtung 6 verschiedene Strukturen in dem Konzept der vorliegenden Erfindung besitzt. Zusätzlich ist es möglich, weitere Komponenten, beispielsweise eine weitere Anschlussbefestigung, eine leitfähige Dichtschicht, ein resistentes Element, einen Isolator und eine Montagebefestigung zu verwenden, welche eine unterschiedliche Gestalt besitzen und aus unterschiedlichem Material hergestellt sind, um die Funkenzündkerze 60 auszubilden. Die beispielhaften Ausführungsformen zeigen die auf die Verbrennungskraftmaschinen für Motorfahrzeuge angewendete Funkenzündvorrichtung 6. Das Konzept der vorliegenden Erfindung ist dadurch jedoch nicht beschränkt. Es ist möglich, die Funkenzündvorrichtung 6 gemäß der vorliegenden Erfindung auf Funkenzündkerzen P anzuwenden, die für Kraft-Wärme-Kopplungs- bzw. Heizkraftvorrichtungen und eine Einrichtung, Gasdruckpumpen usw. verwendet werden sollen.
Bezugszeichenliste

1: Laserzündvorrichtung (Zündvorrichtung),
3: Gehäuse,
4: Laserzündkerze (Zünd-kerze),
5: Verbrennungskraftmaschine,
10: optisches Fenster (kerzenbildendes Element),
11: superhydrophile Membran,
12: optisches Element,
13: Anregungslichtquelle,
20: Puffer-element,
21: Dichtelement,
22: Halter für optisches Fenster,
23: Kondensorlinsenhalter,
30: Einschlag- und Dichtteil,
31: thermischer Dichtabschnitt,
32: zylindrisch gestalteter Ab-schnitt,
33: Schraubabschnitt,
50: Maschinenkopf (Wand der Verbrennungskammer),
51: Verbrennungskammer,
110: superhydrophile Partikel,
52: Kolben,
111: Katalysatorpartikel für eine thermische Anregung,
120: Kondensorlinse,
121: Expansionslinse,
122: Laserre-sonator,
123: Kollimatorlinse,
FP: Brennpunkt,
LSRPMP: Erregungslaser, und
LSPPLS: Impulslaser.

Claims

Zündvorrichtung (1, 6) mit einer Zündkerze (4, 60), welche bei einer Verbrennungskammer (51) einer Verbrennungskraftmaschine (5) montiert ist, wobei die Zündvorrichtung ein in ein Inneres der Verbrennungskammer geführtes Kraftstoff-Gas-Gemisch entzündet, wobei die Zündkerze ein kerzenbildendes Element (10, 7) und eine auf einer Oberfläche des kerzenbildenden Elements auf der Verbrennungskammerseite ausgebildete superhydrophile Membran (11) aufweist, wobei die superhydrophile Membran superhydrophile Partikel (110) und Katalysatorpartikel (111) für eine thermische Anregung beinhaltet, wobei die superhydrophile Membran eine Beziehung θ_w2 < θ_w1 erfüllt, wobei θ_w1 einen Wasserkontaktwinkel zwischen dem kerzenbildenden Element und Wasser angibt, wenn keine superhydrophile Membran auf der Oberfläche des kerzenbildenden Elements ausgebildet ist, und θ_w2 einen Wasserkontaktwinkel zwischen dem kerzenbildenden Element und Wasser angibt, wenn die superhydrophile Membran auf der Oberfläche des kerzenbildenden Elements ausgebildet ist.
Zündvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die superhydrophile Membran eine Beziehung θ_O2 > θ_O1 erfüllt, wobei θ_O1 einen Ölkontaktwinkel zwischen dem kerzenbildenden Element ohne superhydrophile Membran und Öl angibt und θ_O2 einen Ölkontaktwinkel zwischen dem kerzenbildenden Element mit der superhydrophilen Membran und Öl angibt.
Zündvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die superhydrophile Membran ein Mischungsverhältnis von nicht mehr als 47 % der Katalysatorpartikel für eine thermische Anregung in einer Gesamtsumme der superhydrophilen Partikel und der Katalysatorpartikel für eine thermische Anregung besitzt.
Zündvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die superhydrophile Membran ein Mischungsverhältnis von nicht mehr als 20 % der Katalysatorpartikel für eine thermische Anregung in einer Gesamtsumme der superhydrophilen Partikel und der Katalysatorpartikel für eine thermische Anregung besitzt.
Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die superhydrophile Membran eine Binderkomponente als ein die superhydrophile Membran bildendes Material beinhaltet.
Zündvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Binderkomponente zumindest einer Verbindung entspricht, die aus einem Phosphat und einem Metalloxid ausgewählt ist.
Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die superhydrophilen Partikel in der superhydrophilen Membran Siliziumdioxid (SiO₂) umfassen und die Katalysatorpartikel für eine thermische Anregung in der superhydrophilen Membran zumindest eine oder mehrere Verbindungen umfassen, die aus Übergangsmetalloxid und Zinnoxid (SnO₂) ausgewählt ist/sind.
Zündvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Übergangsmetalloxid zumindest eine oder mehrere Verbindungen umfasst, die aus TiO₂, ZrO₂, Cr₂O₃, Y₂O₃, ZnO, CeO₂, Ta₂O₅, CuO₂, CuO and WO₃ ausgewählt ist/sind.
Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das kerzenbildende Element einem optischen Fenster (10) entspricht, welches bei einer Grenze zwischen der Zündkerze (4) und der Verbrennungskammer der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, und die Zündkerze einen Impulslaser (LSR_PLS) mit einer hohen Energiedichte bei einem Brennpunkt (FR) im Inneren der Verbrennungskammer über das optische Fenster fokussiert und ein in das Innere der Verbrennungskammer eingeführtes KraftstoffGas-Gemisch entzündet, und wobei die superhydrophile Membran auf einer Oberfläche des optischen Fensters auf der Verbrennungskammerseite ausgebildet ist.
Zündvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die superhydrophile Membran einen relativen Wasserkontaktwinkel θ_w2 /θ_w1 von nicht mehr als 2/3 besitzt, wobei θ_w1 den Wasserkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster ohne superhydrophile Membran und Wasser angibt und θ_w2 den Wasserkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster mit der superhydrophilen Membran und Wasser angibt.
Zündvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die superhydrophile Membran einen relativen Ölkontaktwinkel θ_O2 /θ_O1 von nicht weniger als 1,5 besitzt, wobei θ_O1 den Ölkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster ohne superhydrophile Membran und Öl angibt und θ_O2 den Ölkontaktwinkel zwischen dem optischen Fenster mit der superhydrophilen Membran und Öl angibt.
Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die superhydrophile Membran Siliziumdioxid als die superhydrophilen Partikel und Titandioxid als die Katalysatorpartikel für eine thermische Anregung umfasst, und Titandioxid einen Anteil in einem Bereich von 3 bis 13 Gewichtsprozent einer Gesamtsumme von Siliziumdioxid und Titandioxid besitzt.
Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Zündvorrichtung einer Funkenzündvorrichtung (6) mit einer Funkenzündkerze (60) entspricht, wobei die Funkenzündkerze aufweist: eine Mittelelektrode (61), welche derart angeordnet ist, dass diese in Richtung hin zu dem Inneren der Verbrennungskammer der Verbrennungskraftmaschine vorsteht; eine Masseelektrode (62); und einen Isolator (7), welcher die Außenperipherie der Mittelelektrode trägt, wobei die Funkenzündkerze eine Funkenentladung bei einem zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode ausgebildeten Spalt G erzeugt, um ein in das Innere der Verbrennungskammer eingeführtes Kraftstoff-Gas-Gemisch zu entzünden, und die superhydrophile Membran auf einer Oberfläche des Isolators angeordnet ist, welche der Verbrennungskammerseite zugewandt ist.
Zündvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die superhydrophile Membran Siliziumdioxid als die superhydrophilen Partikel und Titandioxid als die Katalysatorpartikel für eine thermische Anregung umfasst und Titandioxid einen Anteil von nicht mehr als 20 Gewichtsprozent einer Gesamtsumme von Siliziumdioxid und Titandioxid besitzt.
Zündvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die superhydrophile Membran Siliziumdioxid als die superhydrophilen Partikel und Titandioxid als die Katalysatorpartikel für eine thermische Anregung umfasst und Titandioxid einen Anteil in einem Bereich von 7,5 bis 15 Gewichtsprozent der Gesamtsumme von Siliziumdioxid und Titandioxid besitzt.
Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die superhydrophile Membran eine Dicke in einem Bereich von 3 bis 30 µm besitzt.
Herstellungsverfahren der in der Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zu verwendenden superhydrophilen Membran, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Mischen eines Hauptmaterials, welches Siliziumdioxid mit einer Partikelgröße von nicht mehr als 450 nm in einem Bereich von 90 bis 95 Gewichtsprozent umfasst, mit einem Binder, welcher Kaliumoxid in einem Bereich von 80 bis 85 Gewichtsprozent als eine Hauptkomponente umfasst, um ein erstes Gemisch zu erzeugen; Mischen des ersten Gemisches mit Titandioxid mit einer Partikelgröße von nicht mehr als 450 nm mit einem Gewichtsverhältnis von 1:1, so dass das Titandioxid ein Mischungsverhältnis von nicht mehr als 47 Gewichtsprozent einer Gesamtsumme von Titandioxid und Siliziumdioxid, welches in dem ersten Gemisch enthalten ist, besitzt, um ein zweites Gemisch zu erzeugen. Dispergieren des zweiten Gemisches in Wasser, um eine Suspension zu erzeugen; Tropfen eines Tropfens der Suspension auf die Oberfläche des kerzenbildenden Elements und Rotieren des kerzenbildenden Elements, um einen dünnen Film der Suspension auf der Oberfläche des kerzenbildenden Elements auszubilden; Trocknen des kerzenbildenden Elements; und Brennen des kerzenbildenden Elements bei einer vorbestimmten Temperatur.