JP2004022450A

JP2004022450A - 内燃機関用スパークプラグ

Info

Publication number: JP2004022450A
Application number: JP2002178714A
Authority: JP
Inventors: Teiji Ishinada; 石那田　貞次; Masamichi Shibata; 柴田　正道
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-06-19
Filing date: 2002-06-19
Publication date: 2004-01-22
Also published as: DE10327596A1

Abstract

【課題】イオン電流の検出性を向上させたスパークプラグを提供する。
【解決手段】接地電極４０の先端面を中心電極３０の側面に対向させたスパークプラグにおいて、接地電極４０の先端面の面積を０．０７ないし１．１３ｍｍ^２とする。これによると、接地電極４０の先端面の面積を１．１３ｍｍ^２以下にすることにより、火花放電ギャップ間の電界強度が高まって放電電圧が低下し、アーク電圧維持時間、すなわち火炎成長時間が長くなり、中心電極表面の燃焼残さ物が焼かれて中心電極の健全部表面積が増加し、イオン電流の検出性が向上する。また、接地電極４０の先端面の面積を０．０７ｍｍ^２以上にすることにより、接地電極４０の耐酸化消耗性について実用上十分なレベルを維持しつつ、上記のイオン電流検出性向上効果を得ることができる。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中心電極の側面と接地電極の先端面との間で火花放電を行う側面放電型の内燃機関用スパークプラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車用エンジン等のガソリン機関において、スパークプラグに流れるイオン電流を検出することにより失火等を検出するものが、特開平１２−３４９６９号公報にて提案されている。そして、この公報に記載のスパークプラグは、中心電極の表面積を大きくすることにより、中心電極表面に気筒内のイオンが接触しやすくなるようにして、イオン電流の検出性向上を図っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載の従来のスパークプラグは、エンジン運転時間の増加に伴い中心電極表面に燃焼残さ物が付着するため、中心電極の表面のうち燃焼残さ物が付着していない中心電極の健全部表面積が減少し、イオン電流の検出性が悪化してしまう。
【０００４】
また、燃焼状態によっては、カーボン等が付着して中心電極と接地電極との間の絶縁抵抗が低下し、それによってもイオン電流の検出性が悪化してしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、イオン電流の検出性を向上させたスパークプラグを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、ハウジング（１０）と、ハウジング（１０）に挿入された碍子（２０）と、碍子（２０）に挿入されると共に、先端部が碍子（２０）の端部から突出する中心電極（３０）と、ハウジング（１０）の端部に接合されて、先端面が中心電極（３０）の側面に対向する接地電極（４０）とを備え、中心電極（３０）の側面と接地電極（４０）の先端面との間に火花放電ギャップ（５０）が形成されている内燃機関用スパークプラグにおいて、接地電極（４０）の先端面の面積が０．０７ないし１．１３ｍｍ^２であることを特徴とする。
【０００７】
これによると、接地電極の先端面の面積を１．１３ｍｍ^２以下にすることにより、火花放電ギャップ間の電界強度が高まって放電電圧が低下し、アーク電圧維持時間、すなわち火炎成長時間が長くなり、中心電極表面の燃焼残さ物が焼かれて中心電極の健全部表面積が増加し、イオン電流の検出性が向上する。
【０００８】
また、接地電極の先端面の面積を０．０７ｍｍ^２以上にすることにより、接地電極の耐酸化消耗性について実用上十分なレベルを維持しつつ、上記のイオン電流検出性向上効果を得ることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、接地電極（４０）は、一端がハウジング（１０）に接合された脚部（４１）と、脚部（４１）よりも細く形成されて脚部（４１）の他端から中心電極（３０）側に向かって突出する突出部（４２）とを有し、突出部（４２）の突出長さが、０．３ｍｍ以上で１．５ｍｍ未満であることを特徴とする。
【００１０】
これによると、突出部の突出長さを０．３ｍｍ以上にすることにより、火炎核の消炎作用を低減して高着火性を確保することができ、また、突出部の突出長さを１．５ｍｍ未満にすることにより、突出部の耐酸化消耗性について実用上十分なレベルを維持することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明のように、中心電極（３０）の先端部の外径は、０．７ないし２．０ｍｍとすることができる。また、請求項４に記載の発明のように、火花放電ギャップ（５０）の寸法は、０．７ないし１．１ｍｍとすることができる。
【００１２】
請求項５に記載の発明では、火花放電ギャップ（５０）の寸法をＧ、ハウジング（１０）の端部内周面と碍子（２０）の外周面とのギャップ（６０）の寸法をｇとしたとき、ｇ≦０．６５Ｇ、であることを特徴とする。
【００１３】
これによると、ｇ≦０．６５Ｇとすることにより、ハウジングの端部内周面と碍子の外周面とのギャップ部で飛火させることができる。従って、碍子等に付着したカーボン等を焼失させて絶縁抵抗を回復させ、イオン電流の検出性を向上させることができる。
【００１４】
請求項６に記載の発明のように、接地電極（４０）を複数備えてもよい。また、請求項７に記載の発明のように、突出部（４２）は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｔ合金またはＩｒ合金製とすることができる。
【００１５】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は第１実施形態に係るスパークプラグ１００の全体構成を示す半断面図、図２は図１に示すスパークプラグ１００の火花放電部の詳細を示す拡大半断面図である。因みに、本実施形態のスパークプラグ１００は、接地電極の先端面が中心電極の側面に対向する形式の、いわゆる側面放電型スパークプラグである。
【００１７】
スパークプラグ１００は、金属よりなる円筒形状のハウジング１０を有しており、このハウジング１０は、図示しないエンジンのシリンダブロックに固定するための取付ネジ部１１を備えている。ハウジング１０の内部には、アルミナセラミック（Ａｌ_２Ｏ_３）等からなる碍子２０が固定されており、この碍子２０の先端部２１は、ハウジング１０の一側の端部１２から突出している。
【００１８】
中心電極３０は碍子２０の軸孔２２に固定され、碍子２０を介してハウジング１０に絶縁保持されている。そして、中心電極３０の先端部３１は、碍子２０の先端部２１から突出している。この中心電極３０は、内材がＣｕ等の熱伝導性に優れた金属材料、外材がＮｉ基合金等の耐熱性および耐食性に優れた金属材料により構成されており、本例では円柱体をなしている。
【００１９】
中心電極３０の側面には、中心電極３０の一部をなす第１の放電部材３２が接合されている。この第１の放電部材３２は、貴金属、具体的にはＰｔ合金よりなる。
【００２０】
一方、ハウジング１０の上記端部１２には、２本の接地電極４０が溶接等により接合されている。これらの接地電極４０は、一端がハウジング１０に接合された脚部４１と、脚部４１の他端に接合された第２の放電部材４２とから構成されている。脚部４１は、ニッケル合金よりなり、本例では四角柱形状をなす。
【００２１】
第２の放電部材４２は、脚部４１よりも細く円柱状に形成され、脚部４１の他端から中心電極３０側に向かって突出して中心電極３０の側面に対向し、より詳細には第１の放電部材３２に対向している。第２の放電部材４２は、貴金属、具体的にはＰｔ合金よりなる。なお、第２の放電部材４２は、本発明の突出部に相当する。
【００２２】
そして、互いに対向する第１の放電部材３２と第２の放電部材４２との間に火花放電ギャップ５０が形成されている。また、ハウジング１０の端部１２の内周面と碍子２０の外周面との間にギャップ６０が形成されている。
【００２３】
次に、上記構成の側面放電型スパークプラグ１００において、各部の仕様とイオン電流検出性との相関等を検討した。
【００２４】
▲１▼中心電極３０の仕様検討
まず、中心電極３０において碍子２０から露出した部位の表面積（以下、中心電極表面積という）が異なる４種類のスパークプラグＡ〜Ｄを、２０００ｃｃ直列４気筒エンジンに１本ずつ装着し、アイドリング運転状態でイオン電流値を測定した。図３はその結果を示すもので、中心電極表面積が広いほどイオン電流値が大きくなる。
【００２５】
次に、自動車用エンジンに使用されたスパークプラグを市場から回収して、中心電極表面積のうち燃焼残さ物が付着していない中心電極３０の健全部表面積（以下、健全部表面積という）と、走行距離との関係を調査した。因みに、調査したスパークプラグは、接地電極４０を２本有する側面放電型スパークプラグである。
【００２６】
図４はその結果を示すもので、走行距離が増加すると中心電極３０が燃焼残さ物に覆われて、健全部表面積が減少する。但し、新品時の健全部表面積をＳ_０、使用後の健全部表面積をＳ_１とすると、接地電極４０を２本有する側面放電型スパークプラグにおいては、使用後の健全部表面積Ｓ_１は、Ｓ_０×０．７以下にならないことが確認された。これは、接地電極４０を２本有する側面放電型スパークプラグの場合、火花放電時に中心電極表面の燃焼残さ物が焼かれて、中心電極表面の清浄化が確実且つ安定的に行われるためである。
【００２７】
また、本発明者の検討によれば、健全部表面積が５ｍｍ^２以上であれば、失火を精度よく検出可能なレベルのイオン電流値が得られることが判明している。従って、中心電極３０の突出し長さＬｃを一般的な値である３．４ｍｍとした場合、中心電極３０の先端部３１の外径Ｄｃをφ０．７ｍｍ以上にすることにより、使用後の健全部表面積Ｓ_１が５ｍｍ^２以上となり、実用上十分なイオン電流検出性を確保することができる。
【００２８】
なお、中心電極３０の先端部３１の外径Ｄｃを現状の一般的な値であるφ２ｍｍよりも大きくすると、碍子２０の先端部２１の肉厚が薄くなって耐電圧が低下してしまうため、中心電極３０の先端部３１の外径Ｄｃの上限はφ２ｍｍとするのが望ましい。
【００２９】
▲２▼接地電極４０の仕様検討
接地電極４０における中心電極３０の側面に対向する面、すなわち接地電極４０の先端面の面積（以下、対向面積Ｓｇという）が異なる３種類のスパークプラグを、２０００ｃｃ直列６気筒エンジンに装着し、燃焼残さ物が付着しやすい条件を設定して３００時間の耐久試験を行い、耐久前の健全部表面積に対する耐久後の健全部表面積の割合（Ｓ_１／Ｓ_０×１００％）を調べた。
【００３０】
なお、この試験に用いたスパークプラグの１つは、第２の放電部材４２を備えておらず、１．６ｍｍ×２．８ｍｍの四角柱形状の脚部４１の先端面を、中心電極３０の側面に対向させた構成である。また、他の２つのスパークプラグは、第２の放電部材４２の外径Ｄｇが、それぞれφ０．４ｍｍと、φ１．２ｍｍである。
【００３１】
図５はその結果を示すもので、第２の放電部材４２を細径化するほど、換言すると、対向面積Ｓｇが狭いほど、耐久後の健全部表面積の割合が多くなることが判った。これは、第２の放電部材４２の細径化により、火花放電ギャップ５０間の電界強度が高まって放電電圧が低下し、アーク電圧維持時間、すなわち火炎成長時間が長くなり、中心電極表面の燃焼残さ物が広範囲にわたって確実に焼かれるためである。
【００３２】
上記の検討により、第２の放電部材４２を細径化すると耐久後の健全部表面積の割合が多くなってイオン電流検出性を向上できることが判ったので、次に、第２の放電部材４２の外径Ｄｇ、および第２の放電部材４２の長さＬｇを、種々設定したスパークプラグを用意し、１６００ｃｃ直列４気筒エンジンにて着火限界の空燃比を調べた。
【００３３】
図６はその結果を示すもので、第２の放電部材４２の外径Ｄｇをφ１．２ｍｍ以下とし、且つ第２の放電部材４２の長さＬｇを０．３ｍｍ以上にすることにより、火炎核の消炎作用を低減して高着火性を確保することができる。
【００３４】
但し、第２の放電部材４２の外径Ｄｇをφ０．３ｍｍ未満にした場合や、第２の放電部材４２の長さＬｇを１．５ｍｍ以上にした場合は、第２の放電部材４２自身が高温になって酸化消耗しやすくなるため実用的でない。
【００３５】
従って、第２の放電部材４２の外径Ｄｇは、φ０．３ｍｍ以上でφ１．２ｍｍ以下とするのが望ましく、換言すると、第２の放電部材４２の対向面積Ｓｇは、０．０７ｍｍ^２以上で１．１３ｍｍ^２以下とするのが望ましい。また、第２の放電部材４２の外径Ｄｇのさらに好ましい範囲は、φ０．４ｍｍ以上でφ１．０ｍｍ以下である。
【００３６】
一方、第２の放電部材４２の長さＬｇは、０．３ｍｍ以上で１．５ｍｍ未満とするのが望ましく、さらに好ましい範囲は０．５ｍｍ以上で１．０ｍｍ以下である。
【００３７】
そして、第２の放電部材４２の対向面積Ｓｇや長さＬｇを上記のように設定することにより、接地電極４０の耐酸化消耗性について実用上十分なレベルを維持しつつ、イオン電流検出性を向上させることができる。
【００３８】
▲３▼火花放電ギャップ５０の寸法検討
第２の放電部材４２の細径化により着火性が向上するため、現状１．１ｍｍの火花放電ギャップ５０の寸法Ｇを０．７ｍｍまで小さくしても、現状と同等の着火性が確保される。以上より、火花放電ギャップ５０の寸法Ｇは、０．７ｍｍ〜１．１ｍｍとするのが望ましい。
【００３９】
そして、火花放電ギャップ５０の寸法Ｇを小さくした場合は、火花放電ギャップ５０間の電界強度が高まるため放電電圧が低下し、アーク電圧維持時間が長くなり、中心電極表面の燃焼残さ物が広範囲にわたって確実に焼かれる。
【００４０】
（第２実施形態）
図７は本実施形態に係るスパークプラグ１００の要部の半断面図、図８は図７における脚部４１端部近傍のＡ矢視図である。なお、第１実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４１】
本実施形態では、脚部４１における第２の放電部材４２側の端部に、第２の放電部材４２側に向かって細くなるテーパー部４３を形成している。このようにテーパー部４３を形成すると、火炎核の冷却作用がより小さくなるため着火性能が向上する。具体的には、テーパー部４３無しの場合の着火限界空燃比が１４．５であったのに対し、テーパー部４３有りの場合の着火限界空燃比は１４．７であった。
【００４２】
（第３実施形態）
図９は本実施形態に係るスパークプラグ１００の要部の半断面図である。なお、第１、第２実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４３】
本実施形態では、ハウジング１０の端部１２の内周側に、碍子２０側に向かって突出する沿面突出部１３を形成して、沿面突出部１３の内周面と碍子２０の外周面とのギャップ６０の寸法ｇを小さくしている。
【００４４】
そして、そのギャップ６０の寸法ｇと火花放電ギャップ５０の寸法Ｇとの関係を、ｇ≦０．６５Ｇ、とすることにより、沿面突出部１３の内周面と碍子２０の外周面とのギャップ６０で飛火させることができる。従って、碍子２０の先端部２１等に付着したカーボン等を焼失させて絶縁抵抗を回復させ、イオン電流の検出性を向上させることができる。
【００４５】
（第４実施形態）
図１０は本実施形態に係るスパークプラグ１００の要部の半断面図である。なお、第１実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４６】
本実施形態では、脚部４１は、内材４１ａが熱伝導性に優れたＣｕ、外材４１ｂが耐熱性および耐食性に優れたニッケル合金よりなる。このように、内材４１ａをＣｕにすることにより熱引き性が向上するため、接地電極４０の耐熱性が向上する。
【００４７】
（他の実施形態）
上記実施形態では、接地電極４０の一部をなす第２の放電部材４２を円柱状としたが、図１１（ａ）〜（ｅ）に示すように、第２の放電部材４２の断面形状は、正方形、長方形、ひし形、三角形、或いは楕円形であってもよい。そして、いずれの断面形状でも、第２の放電部材４２の対向面積Ｓｇを、０．０７ｍｍ^２以上で１．１３ｍｍ^２以下とすることにより、イオン電流検出性向上効果を得ることができる。
【００４８】
また、上記実施形態では、接地電極４０は２本であったが、接地電極４０は１本でもよいし或いは３本以上でもよい。
【００４９】
また、上記実施形態では、第１の放電部材３２および第２の放電部材４２の材質はＰｔ合金であったが、Ｐｔ、Ｉｒ、或いはＩｒ合金であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るスパークプラグの全体構成を示す半断面図である。
【図２】図１に示すスパークプラグの火花放電部の詳細を示す拡大半断面図である。
【図３】中心電極表面積とイオン電流値との関係を示す図である。
【図４】走行距離と中心電極３０の健全部表面積との関係を示す図である。
【図５】接地電極４０の対向面積と耐久後の健全部表面積の割合との関係を示す図である。
【図６】第２の放電部材４２の仕様と着火限界空燃比との関係を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るスパークプラグの要部を示す半断面図である。
【図８】図７のＡ矢視図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係るスパークプラグの要部を示す半断面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態に係るスパークプラグの要部を示す半断面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係るスパークプラグの要部を示す図である。
【符号の説明】
１０…ハウジング、２０…碍子、３０…中心電極、４０…接地電極、
５０…火花放電ギャップ。

Claims

ハウジング（１０）と、
前記ハウジング（１０）に挿入された碍子（２０）と、
前記碍子（２０）に挿入されると共に、先端部が前記碍子（２０）の端部から突出する中心電極（３０）と、
前記ハウジング（１０）の端部に接合されて、先端面が前記中心電極（３０）の側面に対向する接地電極（４０）とを備え、
前記中心電極（３０）の側面と前記接地電極（４０）の先端面との間に火花放電ギャップ（５０）が形成されている内燃機関用スパークプラグにおいて、
前記接地電極（４０）の先端面の面積が、０．０７ないし１．１３ｍｍ^２であることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
前記接地電極（４０）は、一端が前記ハウジング（１０）に接合された脚部（４１）と、前記脚部（４１）よりも細く形成されて前記脚部（４１）の他端から前記中心電極（３０）側に向かって突出する突出部（４２）とを有し、
前記突出部（４２）の突出長さが、０．３ｍｍ以上で１．５ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用スパークプラグ。
前記中心電極（３０）の先端部の外径は、０．７ないし２．０ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用スパークプラグ。
前記火花放電ギャップ（５０）の寸法は、０．７ないし１．１ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の内燃機関用スパークプラグ。
前記火花放電ギャップ（５０）の寸法をＧ、前記ハウジング（１０）の端部内周面と前記碍子（２０）の外周面とのギャップ（６０）の寸法をｇとしたとき、
ｇ≦０．６５Ｇ、であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の内燃機関用スパークプラグ。
前記接地電極（４０）を複数備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の内燃機関用スパークプラグ。
前記突出部（４２）は貴金属よりなり、
前記貴金属は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｔ合金およびＩｒ合金のうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の内燃機関用スパークプラグ。