JP2001525982A

JP2001525982A - スパークプラグ

Info

Publication number: JP2001525982A
Application number: JP55011098A
Authority: JP
Inventors: ドーソン，ジョゼフ・ギブソン
Original assignee: ドーソン・ロイヤルティーズ・リミテッド
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1998-05-19
Publication date: 2001-12-11
Also published as: EP0983621A1; AU7443098A; WO1998053540A1

Abstract

(57)【要約】本発明は、内燃機関用スパークプラグに関する。このスパークプラグは、両者の間にスパークが形成される陰極及び接地された陽極を少なくとも含み、接地電極のスパークが衝突する部分は、突起などの低領域突出部の少なくとも１つを構成し、接地電極付近の陰極の端部は窪んだ形状を有する。

Description

【発明の詳細な説明】スパークプラグ本発明は、内燃機関用のスパークプラグに関する。スパークプラグの歴史は、内燃機関そのものと同等に古い。過去何十年にも渡って、エンジン性能の向上に対応すべく、多くの試みがスパークプラグ性能の改良・改善に向けられてきた。性能向上という言葉には様々な面があり、それは、燃料の燃焼効率を向上させることによってエンジン出力を上げることや、低温下においてよりスムーズにエンジンを始動できること、作動中のミスファイヤを減らすこと、有害成分の排出レベルをより低減すること、などを含むであろう。スパークプラグ自体、様々なデザインのものが長年に亘って数多く提案・試験されてきているのに加えて、スパークプラグに合った周辺装置や高電圧供給下に適した周辺装置もスパークを改良するためにいろいろ提案されてきている。これらの装置には、二次ギャップを含む装置や、中間部においてエネルギーを一時的に蓄える装置などが含まれている。ここで重要なのは、これら提案されそして実際に商品化された装置の中に、市民から、及び、特にエンジンや点火装置をデザイン・製造する会社から、継続的な信頼性を得たものは１つもないであろうということである。従来技術による装置は、いつくかの状況において、点火コイルに過負荷がかかると出力が増大したり、擦り減り、弱化、疲労したコイルに一時的な改善が見られたり、又は、擦り減った若しくは点火タイミングのずれたエンジンにおいて見かけの性能が一時的に改善されるかもしれない。しかしながら、これら装置は、決して、エンジンや点火装置が正常な状態の下では性能を改善させることはなかった。期待されたように、スパークプラグのメーカーは、スパークプラグそれ自体の基礎的デザイン及び品質の改善に主に専念してきた。スパークプラグに関するこれらいわゆる改善というもののいくつかでさえ、例えば、エアギャップ、抵抗、キャパシターなどは、米国特許第４，６１３，７８９号に例示されるように、他の技術分野から完成形としてスパークプラグの構成に導入されたものである。独国特許第Ａ４２３８９７３号及び第Ａ３２３０３６２号に示された、とても鋭利でほぼ尖った中心電極に関する技術も同様であり、スパークプラグに用いられ商品化された。しかし、英国特許Ａ２２９１１２４号及び独国特許Ａ１９５０３２２３号に示された中心電極のまわりに複数の接地電極を配置する方法では、複数のアースを取ることができる。後者の方法は、ミスファイヤを防ぐために、スパークがどこかに確実に生じることを目的としたものである。しかし、これらのスパークプラグは多くの金属を電極に採用しているが、このような電極は過度の熱を浪費し、低温下での始動を鈍らせ、低温からの暖機運転中にミスファイヤを発生させ得る。これは、望まれない結果であり、触媒式排気ガス浄化装置に多くのダメージを与え得る。これらすべての見かけ上の進歩や改善にもかかわらず、本質的に、今日実際に使われ、大衆向けに販売される自動車に当初から装備されたり、交換用として流通しているスパークプラグの大部分は、およそ過去３０年かそれ以上の間のものとほとんど変わらないものである。最新のエンジンは、非常に精密な機械装置であり、性能向上のために設計が改良されてきたものである。しかし、今日使われているスパークプラグは、主要な目的が達成されているかどうかという意味では精密な構成部品とは言えない。スパークプラグの主要な目的は、すなわち、タイミングや、発生場所、熱容量、スパーク核の形状及び持続時間などが安定して一定の特性を示すということである。今日使われているスパークプラグは、未だに比較的可成り広いスペクトル内でスパークを発生させる。スパークを発生させるためには、電極間のエネルギーにより、充填された作動ガスをイオン化させることが必要であり、この場合、スパークは中心電極と複数の接地電極の何れか１つ又は二つ以上との間に発生するという理論からすると、複数の接地電極が設けられていることは反復可能なスパークの発生をより困難にする。エンジンが高速回転で運転されていると、点火タイミングの間隔は短くなる。しかし、精確さの点に配慮し、最新のエンジンにおける、ピストンが上死点に達する前の予め定められた位置にある瞬間に点火しなければならないことの必要性、及び、充填された燃料のイオン化が起こり得る電極間の位置を見いだしてイオン化を起こさせるためにプラグが要する時間、は重大であり、エンジン性能に重要な影響を与え得る。それ故に、スパークを点火させる前に２つ又は３つ又は４つの接地電極を選ばなければならない点火装置は精確であるとは言えない。同様に、複数の接地電極が設けられていることは、スパークの発生位置が発生する毎に広範囲に亘ることを意味する。スパークが毎回特定の位置で発生し、毎回同じ形状のスパーク核及び火炎先端が生成されるという情報は、エンジン設計者により良いエンジンを開発させ得るであろう。最新のエンジンは、触媒式排気ガス浄化装置との整合性が重要であり、高価な触媒装置を守るためにミスファイヤを避けることは最優先事項である。しかし、複数の接地電極を設けることは、エンジン性能の多くの面で、特にミスファイヤを防止するという点で、逆効果である。約９０度曲げられた元々は平らな金属棒によって構成された接地された陽極と向かい合う表面が平らな筒状の中心の陰極を有する従来のシンプルなスパークプラグにおいては、通常、スパークは、図１〜図３に示すように、平らな陽極面と平らな陰極面との間のどこででも形成され得る。実際問題として、通常のスパークは、中心電極と接地電極との間に形成された端部周辺の様々な場所で発生し、基本的には点火サイクル毎に異なる場所で発生する。この従来のスパークプラグの電極の配置がもたらすデメリットは、電磁気エネルギーの拡散する性質と、確実なスパーク形成に必要な電極の鋭利な端部について比較的早く、およそ走行距離１０００マイル（１６００ｋｍ）で、浸食が始まることである。従来のスパークプラグでは、中心電極の浸食は、放電に必要な電圧（放電開始電圧）を徐々に増加させ、この増加はミスファイヤが起こる状況に達するまでほぼ一定に増加し続ける。スパークエネルギー及びその持続時間は、点火システムに基づいた誘導に用いられる通常の点火コイルの使用によって制限される。このようなコイルは、エンジンがどのような状況にあっても確実に点火できるのに十分なエネルギーと放電時間を発生させるように設計されている。しかし、エネルギー量は、無線周波妨害（Radio Frequency Interfererence；以下、ＲＦＩという）、及びコイルの充電能力、特に高速回転時の充電能力についての考察によって制限されなければならない。放電間隔距離も同様に、ＲＦＩについての制限とミスファイヤの可能性、特に低速回転時のミスファイヤの可能性によって制限される。可能であれば、通常のコイルを有する点火装置には、以下の改善を施すことが望ましい。（ａ）放電面の面積・大きさ・容積を増やす。（ｂ）周期的なばらつきとミスファイヤの可能性を低減させるために、放電開始電圧に達するまでの時間をを早める。（ｃ）スパーク（火花）のエネルギーを増加させる。（ｄ）イオン化させる量を増やす。（ｅ）ＲＦＩを減らす。それ故に、本発明の主要な目的は、理論上の結論であり、かつ、産業界でも受け入れられている結論に沿ったスパークプラグを提供することである。この結論とは、ラドルフ・モリー氏が以下のようにまとめている。ラドルフ・モリー氏は、著書「スパーク点火：その物理学と内燃機関における影響（Spark Ignition： Its Physics and Effecton the Internal Combustion process）」の第３章において、「スパークプラグに供給される全電気的エネルギーのうち、火炎伝播の開始に用いられるものはプラズマの外表面層内に含まれる分だけである」と述べている。この層のエネルギー密度と温度は放電方法に依る。点火エネルギーが最も短い間隔で供給された場合に最も高いエネルギー密度と最高温度が得られる。本発明の第１の特徴によれば、内燃機関用のスパークプラグを備え、少なくとも、両極間にスパークを形成する陰極と接地された陽極とを有し、接地電極のスパークが衝突する部分が以下に定義する低領域突出部（低領域に設けられた突出部）の少なくとも１つを構成する。本発明のスパークプラグにおいて、１つの電極の一部として働く低領域突出部とは、他方の電極と予め定められた距離で向き合う突起又は鋭利端を構成する。外表面層内のスパークの熱若しくは容積に重大な増加が見られると、このスパークは、他方の電極端表面の面積の殆どを覆う傾向を示し、一般的には円錐形をした新たなスパークを形成し、一方の電極に衝突する。本発明の第２の特徴によれば、内燃機関用のスパークプラグを備え、少なくとも、両極間にスパークを形成する陰極と接地された陽極とを有し、他方の電極端と向き合う一方の電極端が窪んだ形状をしている。ほとんどのスパークプラグは、通常はプラグ本体と同軸状の中心電極、及び、金属製の本体部材に固定された少なくとも１つの接地電極を有し、これらの中心電極及び設置電極の端部間にギャップが構成されている。注記すべきは、今日では一般的に、中心電極は陰極とされ、接地電極は陽極とされているようなネガティブアースシステムを採用している自動車について言及しているが、ポジティブアースシステムを採るためには、中心電極及び接地電極の極性が逆にされる。このような両極の絶対的な極性よりもむしろ両極間の幾何学的な関係の方が優先されるべき重要性を持っている。明確性を期すため、以下では、中心電極を陰極、接地電極を陽極と記す。しかしながら、両極の絶対的な極性は逆にされるかもしれないが、それは本発明に係るスパークプラグに含まれることが意図されている。すなわち、本発明のスパークプラグは、両極の絶対的な極性は問わない。陰極端の窪みは球状の曲率を有することが望ましい。しかし、この窪みの形状は、丸くても、双曲線状でも、放物線状でも、円錐形でも、円錐台形でも、或いは通常の筒状でもよい。しかし、本発明の第１の特徴を有するスパークプラグのみを用いた場合のスパークプラグの特性の改善が達成され、かつ、本発明の第１及び第２の特徴の両方を組み合わせて用いたスパークプラグの場合には、スパークの熱出力、スパーク温度及びスパーク容積の特性項目の改善度はさらに５０％のアップに達することが判明した。上記述べたように、窪みの形状は、球状の曲率を有する窪みであることが最も好ましく、又、窪みが半球でなく、曲率中心が電極の窪みの外に位置することが好ましい。更に、低領域突出部又は接地された陽極端は、球状に窪んだ陰極端の曲率中心と一致する。すなわち、幾何学的にスパークが集つまる。この後者の状況が満たされれば、陽極点と陰極端との間隔はおよそ０．３５ｍｍ〜０．９ｍｍの範囲となるであろう。スパークプラグの間隔がおよそ１．５ｍｍまでは、本発明に係るスパークプラグの電極形状によるメリットを享受できるであろう。なぜなら、スパークを集中させることの効果は、コイルが放電を開始するのに必要な電圧値を低減し、放電開始電圧に達するまでの時間を効果的に早めるからである。窪みの縁又は端部は鋭利にせず、滑らかなカーブであることが好ましい。本発明に係るスパークプラグを従来のスパークプラグと比較するために行われたテストは、放電間隔を２倍にすることによっておよそ２０〜２２％低い電圧でスパークを形成され、更に、そのスパークは主に１００〜３００％増のエネルギーを伝達するという結果を示した。このように、本発明に依るスパークプラグは全体的に予想以上の性能向上を提供する。両電極の面積の違いを最大にし、両電極にスパークが実質的に集中する配置・形状を、この場合、窪みの面積とスパークが集中する電極突出部先端の面積との間に与えると、いわゆる電圧圧力を高め、スパーク形成が可能で、及び／又は、放電開始電圧を上げることなく放電間隔を広げることを可能にするという電圧値にまで電圧を下げる。本発明に係るスパークプラグの最良の実施の形態においては、１つの電極は、球状の曲率を有する窪みを有し、その曲率中心は、窪みの中心に位置する点を有する電極を利用する場合に、およそ１．５ｍｍまで放電間隔を広げることを可能にする位置にある。ここで、強調されるべきは、様々な方法が考えられる電極の位置・形状を最適な配置とすることによって、熱容量・容積・遮断電圧の点に関して、スパークプラグの性能を顕著に向上させることができた点である。例えば、電極突出部の先端は、窪みの曲率半径のおよそ３０％の仮想球内ならどこに位置しても良いが、窪みの曲率中心を窪みの中心と一致させると、電極配置の最適化による利益を最大にすることができる。このように、本明細書において、スパークを「集中させる」という用語は幾何学的に厳密な言葉として解釈されるべきではなく、スパークが電極内の窪みの比較的広い範囲に広がり、他方の電極の突出部の比較的低領域の先端に影響するという意味として理解されるべきである。前述のように、従来のスパークプラグは、より多くのばらつきを生じさせ、やがてミスファイヤへとつながるようなスパークを起こすと、作動中に、中心電極の外側の端部が浸食する傾向がある。本発明に係るスパークプラグを用いれば、スパークを集中させる電極の配置・形状がそういった浸食からの自己防衛を機能を果たすことができる。このことを説明するために、中心電極を有するスパークプラグは、端部の窪みが球状でない曲率、例えば円錐台形であるように製作された。スパークプラグを過度に長期間に亘って使用すると、窪みの円錐台形の形状が浸食によって、他方の電極の先端と一致する曲率中心を持つ球状の曲率を有するようになることが分かっている。窪みの形状が、一旦、このようになってしまうと、更なる浸食は止まる。すなわち、この形状に近づくほど浸食速度が低下し、球状の曲率となった時点で停止する。このように、従来のスパークプラグの性能が悪化する時期・場所において、本発明に係るスパークプラグの性能についての改善が見られる。以下の２つの引用は、「ボッシュ自動車ハンドブック第四版１９９６（Bosch Automotive Handbook 4th．Edition，1996）」からのものである。スパークのエネルギーを増大させることと、プラグの点火特性の正確性を向上させることを同時に生じさせ、より安定した点火を提供することは、安定して予測し得る出力を得ることを意味し、これは火炎伝播を安定させ、周期的なばらつきを減らすことに資する。周期的ばらつきの低減は、より滑らかなエンジン回転を実現し、炭化水素の排出を減らす。更に、「スパークエネルギーの増加は様々な理由で望ましい。そのうちの１つは、混合気の渦が激しいのは基本的には望ましいことであるが、それはスパークを消し、不完全燃焼を生じさせ得る。点火コイルにより多くのエネルギーが蓄えられるほど、そしてより多くのエネルギーが放電ギャップに存在するほど、システムは効率的となる。本発明に係るスパークプラグを用いると、従来のスパークプラグよりも少なくとも２０％少ないコイル電圧でスパークを形成することでき、放電間隔を２倍にすることができる。同じコイル電圧では、従来のプラグよりも比較的大きい放電間隔を採用することができるであろう。この例では、より大きな、より活動的なスパークが生成される。前述のボッシュ自動車ハンドブックから再び引用すると、「電圧が増加するという不利益を伴わずスパークをより大きくすることは望ましい改善であり、エンジンのスムースな運転と炭化水素排出削減についてより効果的な影響を持つ。」更に、「点火の質は、スパークの持続時間とスパークの長さを延長させることによって高められる。すなわち、スパークの持続時間は長く、スパークの長さ、すなわち電極の間隔は大きい方が好ましい。」。しかし、従来のスパークプラグで電極の間隔を大きくすることは、エンジン回転数に依存して２ｋＶから１０ｋＶのコイル電圧の増加を必要とし、更に結果としてＲＦＩも増加させるため、避けられている。図９及び図１０はそれぞれ、従来のスパークプラグと本発明に係るスパークプラグにおける電極ギャップ領域の概要をそれぞれ表す図である。従来のスパークプラグにおいて、陽極２０と陰極１６との間の間隔は「Ｇ」で、陰極の直径は「２Ｒ」で表されている。従来のスパークプラグにあっては、前記間隔「Ｇ」は通常はおよそ０．６５ｍｍであり、直径「２Ｒ」はおよそ２．５ｍｍ〜２．８ｍｍである。本発明に係るスパークプラグにおいては、陽極６０の端部と窪みの端部との間の間隔「Ｇ」は、同様におよそ０．６５ｍｍである。しかし、これには陰極４６の窪み端部からその底部までの距離Ｄを加えなければならない。この距離Ｄは、例えば、同様におよそ０．６５ｍｍであろうから、全間隔は１．３ｍｍとなる。窪みを形成することによって、有効間隔は大いに増加する。しかし、スパークを集中させる電極配置の効果として、スパークを形成するために必要な電圧が一定量上昇することはない。実際、測定結果は、本発明に係るスパークプラグの実際の間隔（Ｇ＋Ｄ）は、従来の間隔（Ｇ）の２倍でよく、同時に、図９に示された従来のスパークプラグで要求されていた放電電圧を低減して良い。更に、本発明に係るスパークプラグでは、間隔（Ｇ＋Ｄ）が２倍にされたとしても、従来のスパークプラグで要求されていた放電電圧よりも２０％低い電圧値まで下げることができる。図１０に示された見かけ上のギャップの長さ（Ｇ）は、例えば隙間ゲージで測定され、そして実際のギャップの長さ（Ｇ＋Ｄ）の値を得るためには、それに窪みの深さＤを加えなければならない。球状の曲率を有する窪みと窪みの曲率中心に位置する陽極の先端に完全にスパークが集中すると、以下の式によって相互関係が決まる。ギャップの長さＧ：窪みの深さＤ：スパークの弧の立体角θ：そして、スパークの容積Ｖ：図１１は、窪みの深さＤとギャップの長さＧの関係を示すグラフである。両者は、スパークが完全に集中するための窪みの球状の曲率と、１．２５ｍｍの陰極の半径Ｒから求められる。更に、本発明に係るスパークプラグにおいて、間隔がより大きくなり、及び／若しくはコイル電圧がより低くなったとしても、スパークに含まれるエネルギー量の増加は１００％から１５０％の増加、スパークの通る距離は１００％の増加にとどまる。このように、前述のモリー氏及びボッシュ社からの引用の中で表現されていた望ましい基準は本発明のスパークプラグによって満たされ、エンジンの運転特性の向上をもたらす。どんなコイルを用いても、本発明に係るスパークプラグのスパークは、より低い要求電圧のおかげで、よりすばやく形成される。すなわち、電圧が上がるのを待っている待機時間が短くなり、スパークの形成が促進される。更に、スパーク形成時間の短縮に加えて、既に述べたように、スパークに含まれるエネルギーが大きく増加する。通常、本発明に係るスパークプラグは、どのような状況下でも、要求される電圧が下がったことによって、従来のスパークプラグよりおよそ１０μｓほど早く着火する。毎分３０００回転時に、これは着火点がおよそ０．２ ℃早まったことに相当する。故に、毎分６０００回転では、０．４℃ほど早くなる。このように、より精確な点火装置が実現できる。しかしながら、本発明に係るスパークプラグが、質が向上したスパークをより低いコイル電圧によって形成しても、コイル内に蓄積されたエネルギーを空にすることには変わりなく、故に、放電持続時間は長くなり、更に、混合気のより完全な燃焼を確実にする傾向を示す。第１及び第２の特徴の双方を具備する本発明のスパークプラグは、既に述べたように、陰極の窪みからの放電エネルギーを陽極に集中させ、通常は筒状で陰極の端部全体を実質的に覆うように広がるスパークを生成する。従来のスパークプラグによって生成されたスパークと比較すると、熱及び密度が大きく増加したスパークが形成される。更に、本発明に係るスパークプラグは、毎回精確に同じ位置にスパークを形成するので、エンジンの設計者に燃料の燃焼が開始する点に関するファクターを確実に与える。本発明に係るスパークプラグは、従来技術とは反対に、２つの電極の面積の差が最大となるようにしている。従来のスパークプラグは、既に述べたように、中心電極を実質的にピン状にするか、複数の接地電極の見かけ上の総面積を増加させるかして、２つの電極の面積の差を低減していた。中心陰極の直径は、望ましくは２．５ｍｍ〜３．５ｍｍの範囲であるとよい。およそ３ｍｍという陰極直径は、通常およそ２．５ｍｍである従来のスパークプラグと比べると、本発明に係るスパークプラグの方が性能が向上していることが現れている。更に、例えばスパーク温度とエネルギー量の点で向上しているといえる。窪んだ陰極の面積を増やすため、その端はスパークプラグへの差込口を構成しつつ、窪み形状を有するフランジ形ヘッドを構成する。本発明に係るスパークプラグによって生成されたスパークと、従来のスパークプラグによって生成されたスパークとの性質の違いは、スパークと関連する顕著な方向性を持った推進力によって明らかにされる。スパーク内に導入された可燃性粒子は、スパークによって実際に加速され、スパークと同じ方向に放出されることが分かっている。この効果は、一点に集められた結果、スパークを形成する陰極から陽極への電子の流れが集中することによるものと考えられている。陰極の窪みから陽極へスパークをはっきりと集めることは、エネルギー及び温度について大いに増加させる効果を持つという点において、レンズによって光線を一点に集めることと類似する。同条件下で、感熱紙片を、従来のスパークプラグ及び本発明に係るスパークプラグの放電ギャップに通すテストでは、本発明に係るスパークプラグを通した紙の方が熱による損傷が大いに増加しており、少なくともより高い温度が生成されていることが示された。数百℃のオーダーで上昇するスパーク温度は、コイル電圧・電流・ギャップの長さが一定の下でも、観察された。更に、本発明に係るスパークプラグによって形成されたスパークに関連して顕著な磁場が現れる。細い繊維によってスパーク内に吊下げられた鉄のピンが激しく振動する様子が観察できる。このようなことは、従来のスパークプラグによって形成されたスパークでは起こらない。本発明に係るスパークプラグの重要な利点は、いくつかの実施形態のための製造コストが、陰極と陽極を一本ずつ有する従来のスパークプラグと殆ど同じであるということである。なぜなら、両者に用いられる製造技術は本質的には同じものであり、本発明のスパークプラグの製造に新たに必要となる構成要素は殆どないからである。本発明の陽極若しくは接地電極は、１つ若しくはそれ以上の適切に形成された平らな金属棒を従来のスパークプラグと同様に含むが、鋭利端若しくは突起がそこに一体的に形成されるか若しくは新たに付け加えられるという点において異なる。鋭利端を有する陽極は、例えばスパークプラグの金属製の本体に溶接された１つの金属片として形成されて、鋭利端が中心電極の窪みと向かい合うように形成されるのが好ましい。陽極がそこに固定される突起を有するようにすることも可能であるが、このような構成を採ると、信頼性が低下し、接合部において熱的不連続性が過熱の原因となる傾向になる。しかし、接合部の信頼性が確保されれば、このような構成でも構わない。陰極及び陽極の原材料としては、スパークプラグ分野ではよく知られたものが用いられ、例えば、鉄合金、ニッケル、クロム、モリブデン、イリジウムなどが挙げられる。本発明に係るスパークプラグの更なる当初の目的以外の特性としては、表面上の自己洗浄能力若しくは自己形成能力が挙げられる。陰極の窪みが不完全に形成され、そこに、例えば、不要な金属の粒や塊が残っているとすると、作動中に、これらの不要な物質は放電によって除去され、結果として欠陥のない球状の曲率が得られる。更に本発明に係るスパークプラグは、従来のスパークプラグよりも大幅に少ないＲＦＩしか放射しないことが分かった。ＲＦＩの減少は、本発明に係るスパークプラグの、低減、例えば２０％低減、されたピークコイル電圧において、よりパワーのあるスパークを生成する能力によるものである。ＲＦＩは、少なくとも部分的にはピークコイル電圧によるので、当然減少する。故に、シールドがより少なくて済み、及び／若しくは、ラジオなどの機器の性能が向上する。尖った中心電極と接地電極内に形成された窪みとをそれぞれ有する構成のスパークプラグも形成可能であり、本発明の範囲内に入るものである。本発明がよりよく理解されるために、本発明の実施形態につき関連する図面を用いて説明する。図１〜図３は、従来のスパークプラグの一部分を示す図であって、放電経路を調べる電場の概要図と従来のスパークプラグの放電電流の一例をそれぞれ示す図である。図４は、本発明の第１実施形態に係るスパークプラグの一部分を示す斜視図である。図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、代替可能な接地電極の各種パターンを示す図である。図６は、中心電極に改良が加えられた別の実施形態のスパークプラグの一部分を示す図である。図７は、接地電極に改良が加えられた本発明の別の実施形態を示す図である。図８は、本発明の第１実施形態に係るスパークプラグの陰極及び陽極部分を示す図である。図９は、従来のスパークプラグの電極部分の概略図である。図１０は、図９と比較するための図であって、本発明に係るスパークプラグを示し、スパークプラグの直径からパラメータを計算するための情報を含む図である。図１１は、集められたスパークにおけるギャップＧと窪み部分の深さＤとの関係を示すグラフである。図１２は、接地電極に窪みを形成するようにした本発明に係るスパークプラグの例を示す図である。以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明するが、これらの図面において既述と同じ要素には共通の参照番号を付記することとする。図１には、従来のスパークプラグの一部分が符号１０で示されている。この一部分１０には、本体１２が含まれており、この本体１２は、図示しないエンジンのシリンダヘッドにねじ込むためのねじ部１４と、周囲を絶縁体１８で囲まれた中心陰極（カソード）１６と、接地された陽極（アノード）２０とを有している。陰極１６は、一般的には、平らな端面２２を有し、この端面２２は、陽極２０上の平面２４と向き合っている。通常、使用中の摩耗の結果として、最初は平らであった平面２２は僅かに丸くなる。スパーク２８の生成前に、電極２０及び１６は、初期のイオン化が電極２０，１６間のどこで起こるか決めなければならず、可能性としては後続のイオン化によるスパークが図２の矢印３０で示したような何れの位置でも起こり得る。スパークは、図３において符号３２で示した電極間全体の領域を超えて形成されることはめったになく、通常は、図１において不符号２８で示すような比較的小さな１つの領域内で起こる。更に、スパークは同じ場所ではめったに起きない。符号３２で示される電極間の対向領域の殆どに亘ってスパークが発生する場所では、スパークは図３に示すような様子で弓状に分散され、より大きい容積で消散されるために含まれるエネルギーを生じさせる。図４は、本発明の特徴部分を示しており、接地電極５０が、窪みの縁と接地電極本体との間に放電が起こらないように下方逃げ部（アンダーカット凹部）３２２を有している。図４は、本発明に係るスパークプラグ４０の一部を示している。図１のスパークプラグと同様に、本発明に係るスパークプラグ４０も、図示しないシリンダヘッドにねじ込むためのねじ部４４を有する本体部と、セラミック絶縁体４８によって本体部から絶縁された中心陰極４６と、接地された陽極５０とをそれぞれ有している。陰極４６は、図示しないコイルに接続され、高電圧が供給されるようになっている。陽極５０は、図示しないシリンダヘッドを経由して接地されている。陰極４６の端部は球状の曲面を構成する窪み部５６を有し、陽極５０は先端６２を有し、一体的に形成された突起６０を有している。先端６２は、陰極端部の窪み５６の曲面の中心に一致されて配置されている。本発明に係るスパークプラグによって形成された、線６６によって示されるスパークは、窪み５６の表面の全体を実質的に覆うように広がり、陽極の突起６０の先端６２に向かって通常は円錐形で伸びる。スパークは、常に、陰極４６の端部と陽極５０の先端６２との間に広がり、従ってスパークはいつも同じ予測し得る場所に発生する。スパーク温度は、インターナショナル・パイロメーター・カンパニー社（Internationa ional Pyrometer Company Ltd.）（商号）製の高温アナログ計で測定され、一貫して、図１に示した従来のスパークプラグを用いた場合よりも、３００℃から５００℃高い範囲にある。測定結果は３０％の温度上昇を示すが、測定中の避けられない損失の影響があるため、実際の温度上昇はより高いものと考えられる。本発明の陰極／陽極の配置が、電流の流れの中の電子エネルギーを特定の容積に集中させ、温度・熱容量、形状安定性及び位置安定を向上させるなどの利益を生ぜしめる。図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、接地電極の構成についていくつかの代替形態の代表的なものの概要を示している。何れの形態においても、接地電極１００は、尖った若しくは低領域の先端１０４を有する鋭利端又は突起１０２を含んでいる。図６は、改良された形状の中心電極１１０を有するスパークプラグの一部を示している。中心電極１１０は、筒状のブラインド穴を端部に有する内側伝導部１１２と、この内側伝導部１１２の穴の中にねじ結合又は溶接される軸を有する部分と、から構成されている。このような構成により、陰極１１０が、窪んだ端部１２０を、他の場合よりも大きい直径にできるようにしている。窪んだ端部１２０は、円周状のフランジ型の縁１２２を有している。この縁１２２は、絶縁体１２４の端部に設置されている。従って、スパーク１２６は、窪み１２８と接地電極突起１３０との間に形成されるようになっている。図７は、本発明に係るスパークプラグの別の改良形であり、接地電極１４０は鋭利端１４２と共に形成されている。図８は、本発明の第１の特徴によるスパークプラグの陰極２４０及び陽極２４２の部分を示している。陰極２４０は、従来のスパークプラグと同様に、実質的に平らな平面２４４を有するが、陽極２４２は、下方域に設けられた突出部２４６を有している。スパーク２４８は、陰極面２４４から低領域突出部２４８へ衝突する。本実施形態においても、スパークは予測し得る位置に一貫して形成され、温度は、図１〜図３にその構成を例示した従来のスパークプラグに比べて、大幅に上昇する。図１２は、鋭利端３３２を有する中心電極３３０と、窪み３３６を有する接地電極３３４とをそれぞれ示している。図４に示された形状を有しかつ電極の間隔が１ｍｍであるスパークプラグ、及び、図１〜図３に示されたような電極の間隔が０．７ｍｍである従来より流通しているプラグは、両者とも共通のコイルに接続され、共通の接地接続を共有していた。故に、スパークは、他方のプラグに形成される前に一方のプラグ、すなわちより低い放電開始電圧を有するプラグに形成される、と予測された。このテストの結果は、本発明に係るスパークプラグの方が一貫して先に放電した。また、電極の間隔を徐々に広げていった時、先に放電できなくなったのは従来のスパークプラグの方であった。その時の間隔は１．２ｍｍ〜１．２５ｍｍであった。下記の結果は、本発明に係るスパークプラグを従来のスパークプラグと比べた場合、放電に必要な電圧がどのくらい下がったかを示している。この時の電極の間隔は何れも０．７ｍｍと１ｍｍである。３５ｋＶから７ｋＶ低下＝２８ｋＶ２５ｋＶから５ｋＶ低下＝２０ｋＶ１５ｋＶから３ｋＶ低下＝１２ｋＶ１２ｋＶから２．４ｋＶ低下＝９．６ｋＶ上記結果は、コイルとディストリビュータとポイントを含む点火装置であれば、電子式でも従来式でも何れでも有効である。エネルギー量テストによれば、本発明に係るスパークプラグによって形成されたスパークは、通常の仕事に用いられる紙及び薄いプラスティック材を切ったり、穴を開けたりできるが、従来のスパークプラグによって形成されたスパークは、同じ作動状況下でもこのようなことはできないということが示された。これは、従来のスパークは、本発明に係るスパークプラグが形成したスパークの有するエネルギー量と同じくらい高いエネルギー量を持っていないということを表している。更なるテストでは、ギャップを従来の２倍の０．７ｍｍとし、要求される放電電圧が２０％低減された本発明に係るスパークプラグが、従来のプラグが生成したスパークよりも容積が１００％増加したスパークを生成することを示した。本発明に係るスパークプラグのギャップを、従来と同様の放電電圧が要求されるまで、すなわち１ｍｍまで、戻すと、形成されるスパークの大きさは従来のものより２５０％増加する。更にギャップを徐々に増加させていくと、スパークの大きさは３００％まで増加でき、また、陰極の窪みの直径がおよそ３．５ｍｍまで広がり、陽極の焦点が非常に鋭利となり、同じ電圧値で従来のスパークの５００％までスパークの大きさが増加した場合もあった。仮に、従来のスパークプラグのギャップを広げると、そのエネルギー量は下落する傾向を示し、混合気の渦で消散される可能性もある。明らかに、本発明に係るスパークプラグによって生成された、集中されたスパークは、薄い混合比にもより良く対応することが可能であり、また、通常のエンジンで理論混合比である場合、不完全若しくは不規則な燃焼によって触媒式排気ガス浄化装置が傷つけられるをより良く緩和してこれを保護することができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１１年６月９日（１９９９．６．９）【補正内容】請求の範囲（補正）１．内燃機関用のスパークプラグ（４０）であって、両者の間にスパーク（６６；１２６）が形成される陰極（４６；１１０；３３０）及び陽極（５０；１００；１４０；２４２；３３４）を少なくとも含み、前記陰極又は陽極の一方のスパークが衝突する部分は少なくとも１つの低領域突出部（６２；１０４；１３０；１４２；３３２）を形成し、前記低領域突出部付近の他方の電極の端部は窪んだ形状（５６；１２８；３３６）を有し、この窪みは球状の曲面を有し、この曲面の曲率中心は前記窪みの外にあり、前記低領域突出部の先端は前記窪みの曲率半径の３０％の大きさを有する仮想球内に位置し、この仮想球の中心は前記窪みの曲率中心上にあることを特徴とするスパークプラグ。２．前記陰極（４６；１１０；３３０）は、その端部に窪んだ形状を有することを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。３．接地電極上の前記低領域突出部の先端は、球状に窪んだ電極端部の曲率中心と一致することを特徴とする請求項１又は２に記載のスパークプラグ。４．前記接地電極上におけるスパークの衝突点（６２；１０４；１３０；１４２；３３２）と前記窪んだ電極端部との間の間隔は、０．３５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のスパークプラグ。５．前記間隔は、０．３５ｍｍ〜０．９ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項４に記載のスパークプラグ。６．前記陰極の直径が２．５ｍｍ〜３．５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のスパークプラグ。７．前記陰極（１００）の端部は、窪んだ形状（１２８）を有するフランジ型ヘッド（１２０）を構成することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のスパークプラグ。８．前記接地電極は、ほぼ鋭利端若しくは突起の付加若しくは形成がなされた、適切に形成された１つ又はそれ以上の金属棒から成ることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のスパークプラグ。９．前記接地電極上の前記低領域突出部は、前記接地電極に一体的に形成されていることを特徴とする請求項８に記載のスパークプラグ。１０．前記低領域突出部は、前記接地電極に固定された別体の部品であることを特徴とする請求項８に記載のスパークプラグ。１１．前記窪んだ端部の縁は、滑らかな丸い形状を有することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載のスパークプラグ。１２．前記窪み（３３６）は、接地電極（３３４）に形成されることを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。１３．前記突出部（６２）は、接地電極（５０）の上に設けられ、この接地電極（５０）には、不必要なスパークの形成を防ぐために前記突出部の近傍領域に逃げ部（３２２）が形成されること特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載のスパークプラグ。１４．前記電極（１００）上の前記突出部（１０４）は、三角形状の断面を有する部分（１０２）を含むことを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載のスパークプラグ。１５．前記電極の形状及び配置の特性が実質的に下記式で表されることを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。ギャップの長さＧ：窪みの深さＤ：スパークの弧の立体角θ：そして、スパークの容積Ｖ：ここで、窪みの曲面は円形であり、Ｒは陰極の半径、Ｇは面積が減少された陽極部分の先端と窪みの縁との間のギャップの長さ、Ｄは窪みの深さ、θは陽極と窪みとの間のスパークの弧によって生じる立体角である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】１．両者の間にスパークが形成される陰極及び陽極である接地電極を少なくとも含み、この接地電極のスパークが衝突する部分は、低領域突出部の少なくとも１つを構成することを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。２．両者の間にスパークが形成される陰極及び陽極である接地電極を少なくとも含み、前記陰極か前記陽極のいずれか一方は、窪みを有し他方の電極に面する端部を有することを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。３．両者の間にスパークが形成される陰極及び陽極である接地電極を少なくとも含み、前記陰極か前記陽極のいずれか一方のスパークが衝突する部分は、低領域突出部の少なくとも１つを構成し、前記突出部付近の他方の電極の端部は窪みを有することを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。４．前記陰極がその端部に窪みを有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。５．前記窪みの形状は、丸い、及び、円錐形、円錐台形、放物線状、同軸状、通常の円筒形、の中から選択されることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関用スパークプラグ。６．前記窪みの形状は球状の曲率を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。７．前記接地電極上の前記低領域突出部の先端は球状に窪んだ陰極端部の曲率中心と一致することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関用スパークプラグ。８．前記接地電極上のスパークの衝突点と前記陰極の端部との間隔がおよそ０．３５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。９．前記間隔がおよそ０．３５ｍｍ〜０．９ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関用スパークプラグ。１０．前記陰極の直径が２．５ｍｍ〜３．５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。１１．前記陰極の端部は窪んだ形状を有するフランジ型ヘッドを構成することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。１２．前記接地電極は、ほぼ鋭利端若しくは突起の付加若しくは形成を有する適切に形成された１つ又はそれ以上の金属棒から成ることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。１３．前記接地電極上の前記低領域突出部は前記接地電極に一体的に形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の内燃機関用スパークプラグ。１４．前記接地電極上の前記低領域突出部は前記接地電極に固定された分離物であることを特徴とする請求項１２に記載の内燃機関用スパークプラグ。１５．前記窪みの縁は滑らかな丸い形状を有することを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。１６．前記窪みは、接地電極に形成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関用スパークプラグ。１７．前記窪みは半球状であることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用スパークプラグ。１８．前記突出部は、望まれないスパークの形成を防ぐために前記突出部周辺には配置されない接地電極の上に設けられることを特徴とする請求項３乃至５の何れか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。１９．前記接地電極の前記突出部は、三角形の横断面を有する部分を含むことを特徴とする請求項１乃至１８の何れか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。２０．前記低領域突出部の前記先端は、前記窪みの曲率半径の３０％の大きさの有する仮装球内に位置し、前記仮装球の中心は前記窪みの曲率中心上にあることを特徴とする請求項６乃至１９の何れか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。２１．前記電極の形状及び配置の特性が実質的に下記式で表されることを特徴とする請求項６乃至１５の何れか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。ギャップの長さＧ：窪みの深さＤ：スパークの弧の立体角θ：そして、スパークの容積Ｖ：ここで、窪みの曲面は円形で、Ｒは陰極の半径、Ｇは面積が削減された陽極部分の先端と窪みの端部との間のギャップの長さ、Ｄは窪みの深さ、θは陽極と窪みとの間のスパークの弧によって生じる立体角である。２２．図４、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）、図６、図７、図８、図１０、図１２の図面とそれに伴う説明とを参照して実質的に説明したスパークプラグ。