JP2008108478A - 内燃機関用スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】混合気のタンブル渦気流の方向を安定化して放電火花の流れ方向も安定化し、混合気への着火性を良好ならしめること。
【解決手段】内燃機関に装着され、中心電極３と、前記中心電極３との間で放電火花を形成する接地電極４を有し前記中心電極３の外周に配置された円環状のハウジング１と、前記中心電極３と前記ハウジング１との間に設けられ前記中心電極３と前記ハウジング１との電気的絶縁をなす絶縁碍子２と、を備えた内燃機関用スパークプラグにおいて、前記ハウジング１の端面部１１の内径面に、前記内燃機関の燃焼室２０内の混合気のタンブル渦気流２１を前記燃焼室２０の内部中央部方向へ制御する整流手段をなすテーパ面部１１２を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関用スパークプラグに関するもので、ガソリン内燃機関のスパークプラグに好適なものである。

従来より、内燃機関のシリンダ燃焼室内の混合気の着火性向上のためにスパークプラグの中心電極や接地電極の形状や材質について、様々な工夫がされたものが提案されている。例えば下記特許文献１においても、中心電極の材質や形状の改善を行って高温耐熱性と耐消耗性の向上を図っている。

一般に、内燃機関用スパークプラグでは、中心電極と接地電極間に発生する放電火花の形成に着目した場合、中心電極や接地電極を中心としたスパークプラグの燃焼室内に出ている部位を流れる混合気流は、燃焼室内の混合気のタンブル渦気流のバラツキの影響を受けるため一様でない。特に、近年、内燃機関の高出力化のため内燃機関の吸気ポートの形状やピストンヘッドの形状に工夫が施され、混合気流の速度が高速になっているため、よりタンブル渦気流のバラツキが大きくなっている。そのため放電火花の流れの大きさ、方向ともバラツキが生じて安定しない。放電火花の流される方向によっては、生成した火炎の冷却や分散が生じて、充分な火炎の塊に成らず着火不良を起こしてしまうという問題がある。下記特許文献１に記載されている内燃機関用スパークプラグの構造でも、内燃機関のシリンダ燃焼室内に出ている中心電極、接地電極部位を流れる混合気流は、燃焼室内の混合気のタンブル渦気流のバラツキの影響を受け上述のように着火不良を起こしてしまうという問題がある。
特開２００５−６３７０５号公報

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、内燃機関のシリンダ燃焼室内の混合気のタンブル渦気流を、燃焼室の中央部方向へ制御、整流させることにより、混合気のタンブル渦気流の方向を安定化して放電火花の流れ方向も安定化させ、混合気への着火性の良好な内燃機関用スパークプラグを提供することにある。

請求項１に係る発明では、内燃機関に装着され、中心電極と、前記中心電極との間で放電火花が形成される接地電極を有し前記中心電極の外周に配置された円環状のハウジングと、前記中心電極と前記ハウジングとの間に設けられ前記中心電極と前記ハウジングとの電気的絶縁をなす絶縁碍子と、を備えた内燃機関用スパークプラグにおいて、
前記ハウジングの端面部に、前記内燃機関の燃焼室内の混合気のタンブル渦気流を前記焼室の内部中央部方向へ制御する整流手段を設ける。

上記構成によれば、燃焼室内の混合気のタンブル渦気流の方向を整流手段で安定化させると共に放電火花の流れ方向も安定化でき、着火不良を起こすことなく混合気への着火を良好ならしめることができる。特に、希薄燃焼（リーンバーン）のような着火性の厳しい燃焼条件においても優れた効果を発揮する。

請求項２に係る発明では、前記絶縁碍子の先端面を、前記ハウジングの端面部の先端面より突出させている。

上記構成によれば、前記絶縁碍子の先端面が、前記ハウジングの端面部の先端面より突出していると、前記混合気のタンブル渦気流が前記絶縁碍子の外周面を廻って流れるため、タンブル渦気流の整流がより確実に行われる。

請求項３に係る発明では、前記整流手段を、前記ハウジングの端面部の内径面に設け、前記ハウジングの端面部の内径Ｄが該端面部の先端面に向かうにつれ大きくなっている傾斜内周面部としている。

上記構成によれば、内径面に設けた傾斜内周面部の傾斜部分で、前記混合気のタンブル渦気流の制御、整流を良好にできる。

請求項４に係る発明では、前記ハウジングの端面部の先端面と該端面部の先端面における前記傾斜内周面部の接線とのなす角度θを１０°〜６０°としている。

上記構成によれば、前記混合気のタンブル渦気流の制御、整流をより確実にできる。

請求項５に係る発明では、前記傾斜内周面部の半径方向の水平長さＷ２を０．５ｍｍ以上とし、且つ前記端面部の肉厚Ｗ１との比（Ｗ２／Ｗ１）を０．５〜１．０としている。

上記構成によれば、前記傾斜内周面部の斜面長さＷ２を充分得ているから、前記混合気のタンブル渦気流の制御、整流をより確実にできる。

請求項６に係る発明では、前記傾斜内周面部を、前記ハウジングの端面部の内径Ｄが該端面部の先端面に向かうにつれ大きくなる少なくとも一つのテーパ面部としている。

上記構成によれば、前記混合気のタンブル渦気流をテーパ面に沿って流すことにより、前記混合気のタンブル渦気流の制御、整流をより確実にできる。また、加工が容易である。

請求項７に係る発明では、前記傾斜内周面部を、前記ハウジングの端面部の内径Ｄが該端面部の先端面に向かうにつれ大きくなる少なくとも一つの段部としている。

上記構成によれば、前記傾斜内周面部を少なくとも一つの段部といているから、前記混合気のタンブル渦気流の制御、整流を該段部で段々により確実にできる。また、加工もより容易である。

請求項８に係る発明では、前記傾斜内周面部を、前記ハウジングの端面部の内径Ｄが大きくなる度合いが前記端面部の先端面に向かうにつれ徐々に小さくなる曲面部としている。

上記構成によれば、該曲面部によって、前記混合気のタンブル渦気流の制御、整流をより一層滑らかに確実にできる。

請求項９に係る発明では、前記傾斜内周面部を、前記ハウジングの端面部の全周の５０％以上形成している。

上記構成によれば、前記混合気のタンブル渦気流の制御、整流を充分且つ確実に行うことができる。

以下、本発明の実施形態を図に基づき説明する。先ず、本発明になるガソリン内燃機関用スパークプラグの全体構成を説明する。図８は、本発明になる内燃機関用スパークプラグの半断面全体構成図である。

金属材料よりなる円環状のハウジング１を備えており、該ハウジング１の下方部の外周には、内燃機関（図示せず）のシリンダ（図示せず）に装着するためのネジ部１ａが形成されている。

ハウジング１の内部には、アルミナ等の電気的絶縁材料で成形された筒状の絶縁碍子２の下端部が同軸的に挿入され、ハウジング１の上端部１ｂをカシメることにより、ハウジング１と絶縁碍子２は一体に結合されている。絶縁碍子２の貫通孔２ａには高電圧が供給される中心電極３が挿入され保持されている。すなわち、中心電極３の外周には円環状のハウジング１が配設され、中心電極３とハウジング１との間には絶縁碍子２が挿入されている。

中心電極３は、ニッケル合金を母材とした耐熱性材料で構成されており、先端部３ａは絶縁碍子２の先端面２ｂから露出している。さらに、中心電極３の先端部３ａに対向する位置には、ハウジング１の端面部１１から一体的に湾曲して延出された接地電極４が接続されている。該接地電極４もニッケル合金を母材とした耐熱性材料で構成されている。

中心電極３の先端部３ａとこれに対向する接地電極４の放電部位には、貴金属チップ５、６が溶接接合され、この両チップ５、６の間に放電火花のギャップ７が形成される。なお、通常中心電極３が接地電極４より高電位に設定されているが、中心電極４が接地電極４よりマイナス極に設定されている場合もあり、中心電極３と接地電極４との間で所定の電位差が保たれておればよい。

中心電極３の上端側には、中心軸８、端子部９が電気的に接続されており、この端子部９には放電火花を発生させるための高電圧を印加する外部回路（図示せず）が接続されるようになっている。また、ハウジング１のネジ部１ａの上端部には、内燃機関への取付け時のシール用ガスケット１０が設けられている。

次に、図１により本発明の要部を説明する。図１は、図８に示す本発明スパークプラグの先端部の拡大断面図である。本発明スパークプラグでは、絶縁碍子２の先端面２ｂは、ハウジング１の端面部１１の先端面１１１より内燃機関シリンダ（図示せず）の燃焼室２０内に突出していることが望ましい。

ハウジング１の端面部１１の内径面には、本発明における整流手段をなす傾斜内周面部が形成され、具体的には傾斜内周面部はテーパ面部１１２である。このテーパ面部１１２は、ハウジング１の端面部１１の全周に亘って形成され、ハウジング１の内径Ｄがハウジング１の端面部１１の先端面１１１に向かうにつれ大きくなっている。すなわち外方に広がるテーパ面部１１２である。また、テーパ面部１１２は、ハウジング１の端面部１１の先端面１１１と、該端面部１１の先端面１１１におけるテーパ面部１１２の接線Ｙとのなす角度θは、１０°〜６０°に設定されている。また、テーパ面部１１２の半径方向の水平長さＷ２（図面の下方からみた投影長さ）は、０．５ｍｍ以上とし、さらに端面部１１の肉厚Ｗ１との比（Ｗ２／Ｗ１）を０．５〜１．０に設定している。

上記のように構成される本発明になる内燃機関用スパークプラグの作用効果を図２により説明する。図２は、図１と同様の部位である。内燃機関のピストン２６の上昇により、燃焼室２０内の黒矢印で示すタンブル渦２１の気流は、ハウジング１の端面部１１近傍において、整流手段をなす傾斜内周面部としてのテーパ面部１１２によって、上流側のテーパ面部１１２から該テーパ面部１１２上に沿って絶縁碍子２の周りを廻って流れ、絶縁碍子２の裏側（図２において絶縁碍子２の右端側）の下流側テーパ面部１１２から該テーパ面部１１２によって燃焼室２０の内部中央部に向かって押出される方向（白抜き矢印２２）に制御、整流され、バラツキのない安定したタンブル渦２１の気流が形成される。なお、タンブル渦２１とは、周知のように図２に図示する状態では、ピストン２６の上昇による着火状態にある燃焼室２０内で、気流が接地電極４の幅方向の面（図面に沿う面）に沿って回転している状態であり、スパークプラグのねじ込みによる接地電極４の位置と関係なく矢印２１で示すように図面に沿って回転する。また、燃焼室２０の内部中央部とは、図２に示すように、ピストン２６の上昇によって形成される着火状態にある空間（燃焼室２０）の内部中央部をいう。

このテーパ面部１１２によって燃焼室２０の内部側（中央部）に向かって押出される方向に制御、整流されたタンブル渦２１の気流により、中心電極３のチップ５と接地電極４のチップ６間に発生する放電火花２３の流れも整流され、燃焼室２０の内部側（中央部）方向に曲げられた安定した放電火花２３の流れが形成される。すなわち、タンブル渦２１の気流を、燃焼室２０の内部側（中央部）方向へ安定して形成することによって、放電火花２３の流れも同じ方向へ安定して形成される。

放電火花２３の燃焼室２０の内部中央部方向への安定した流れによって、燃焼室２０内の混合気の速やか、且つ安定した着火が行われ、矢印２４で示すように火炎の流れが促進され、着火性が向上し火炎の塊２５を形成する。このように、着火不良を起こすことなく混合気への着火を良好ならしめることができる。特に、希薄燃焼（リーンバーン）のような着火性の厳しい燃焼条件においても優れた効果を発揮する。

なお、上述のハウジング１の端面部１１の先端面１１１と、該端面部１１の先端面１１１におけるテーパ面部１１２の接線Ｙとのなす角度θは、実験によって１０°〜６０°に設定したが、さらに実験によれば、望ましくは２０°〜４０°がよく、３０°近傍が最もよく、最良な効果を発揮する。また、角度θが１０°未満である場合や６０°を超える場合では、実験によれば上記効果の程度は小さい。

次に、図３〜６により、整流手段をなす傾斜内周面部の他の変形例を説明する。図３では、傾斜内周面部としてテーパ面部１１２を２つのテーパ面１１２ａで構成している。それぞれのテーパ面１１２ａは、ハウジング１の端面部１１の全周に亘って形成され、ハウジング１の内径Ｄがハウジング１の端面部１１の先端面１１１に向かうにつれ大きくなっている。すなわち外方に広がるテーパ面１１２ａである。ハウジング１の端面部１１の先端面１１１と、該端面部１１の先端面１１１におけるテーパ面１１２ａの接線Ｙとのなす角度θについては、上記図１において説明した内容と同様で、角度θは、実験により１０°〜６０°に設定したが、さらに実験によれば、望ましくは２０°〜４０°がよく、３０°近傍が最もよい。また、角度θが１０°未満である場合や６０°を超える場合では、実験によれば上記効果の程度は小さい。ある。なお、テーパ面１１２ａは、段階的に内側に向くように複数形成してもよい。

このように、傾斜内周面部としてのテーパ面部１１２を複数のテーパ面１１２ａで構成しても図２で説明した同様の上述の作用効果を奏する。また、テーパ面１１２ａは段階的に形成するだけでよいから加工も比較的容易である。

図４では、傾斜内周面部として複数の段部１１３を形成している。該段部１１３は、ハウジング１の端面部１１の全周に亘って形成され、ハウジング１の内径Ｄがハウジング１の端面部１１の先端面１１１に向かうにつれ大きくなっている。すなわち外方に段階的に広がる段部１１３である。ハウジング１の端面部１１の先端面１１１と、該端面部１１の先端面１１１における各段部１１３を結ぶ接線Ｙとのなす角度θについては、上記図１において説明した内容と同様で、角度θは、実験により１０°〜６０°に設定したが、さらに実験によれば、望ましくは２０°〜４０°がよく、３０°近傍が最もよい。また、角度θが１０°未満である場合や６０°を超える場合では、実験によれば上記効果の程度は小さい。なお、段部１１３の段数は、必要に応じて設定すればよく、少なくとも一つの段部が設けられておればよい。

このように、傾斜内周面部を段部１１３に形成しても図２で説明した同様の上述の作用効果を奏する。また、段部１１３は加工が非常に容易である。

図５では、傾斜内周面部として一つの曲面部１１４を形成している。該曲面部１１４は、ハウジング１の端面部１１の全周に亘って形成され、ハウジング１の内径Ｄが大きくなる度合いがハウジング１の端面部１１の先端面１１１に向かうにつれ徐々に小さくなり、図示するように内側に曲がっている形状である。すなわち外方への広がりが徐々に小さくなっている半径Ｒの円弧状曲面部１１４である。

このように、傾斜内周面部を曲面部１１４に形成しても図２で説明した同様の上述の作用効果を奏することは勿論のこと曲面部１１４の滑らかさで混合気のタンブル渦気流の制御、整流をより一層確実にできる。なお、ハウジング１の端面部１１の先端面１１１と、該端面部１１の先端面１１１における曲面部１１４の接線Ｙとのなす角度θについては、上記図１において説明した内容と同様で、角度θは、実験により１０°〜６０°に設定したが、さらに実験によれば、望ましくは２０°〜４０°がよく、３０°近傍が最もよい。また、角度θが１０°未満である場合や６０°を超える場合では、実験によれば上記効果の程度は小さい。

図６では、傾斜内周面部としてテーパ面部と、該テーパ面部に接続する一部曲面部１１５とで構成している。該テーパ面部と一部曲面部１１５は、ハウジング１の端面部１１の全周に亘って形成され、一部曲面部１１５は、ハウジング１の内径Ｄが大きくなる度合いがハウジング１の端面部１１の先端面１１１に向かうにつれ徐々に小さくなり、図示するように内側に曲がっている形状である。すなわち外方へ広がるテーパ面部と、該テーパ面部に接続して広がりが徐々に小さくなっている半径Ｒの円弧状一部曲面部１１５で構成されている。

このように、傾斜内周面部をテーパ面部と一部曲面部１１５とで形成しても図２で説明した同様の上述の作用効果を奏することは勿論のこと一部曲面部１１５の滑らかさで混合気のタンブル渦気流の制御、整流をより一層確実にできる。 なお、ハウジング１の端面部１１の先端面１１１と、該端面部１１の先端面１１１における一部曲面部１１５の接線Ｙとのなす角度θについては、上記図１において説明した内容と同様で、角度θは、実験により１０°〜６０°に設定したが、さらに実験によれば、望ましくは２０°〜４０°がよく、３０°近傍が最もよい。また、角度θが１０°未満である場合や６０°を超える場合では、実験によれば上記効果の程度は小さい。

上述の整流手段をなす傾斜内周面部としてのテーパ面部１１２、テーパ面１１２ａ、段部１１３、曲面部１１４、一部曲面部１１５は、ハウジング１の端面部１１の全周に亘って形成した例であったが、図７に示すように、実験によれば本発明効果を奏するには、上述のテーパ面部１１２、テーパ面１１２ａ、段部１１３、曲面部１１４、一部曲面部１１５は、ハウジング１の端面部１１の全周の５０％以上（網目模様で示す面）形成してあればよい。望ましくは、タンブル渦の気流２１の流れ方向を含んで均等分割（実施例では４分割）されていることがよい。なお、ハウジング１の端面部１１において、整流手段をなす傾斜内周面部としてのテーパ面部１１２、テーパ面１１２ａ、段部１１３、曲面部１１４、一部曲面部１１５が形成されていない平坦部は符号３１で表している。

なお、本発明に適用したスパークプラグにおいて、中心電極３の先端部３ａの貴金属チップ５の径は、０．３〜２．５ｍｍであり、接地電極４の貴金属チップ６間のギャップ７は、０．４〜１．５ｍｍであった。また、中心電極３と接地電極４の貴金属チップ５、６は、Ｐｔ、Ｉr、Ｒｈ等の貴金属を少なくとも１種類以上を主に含有し、少なくとも１種の添加物との合金である。添加物は例えば、Ｐｔ、Ｉr、Ｒｈ、Ｎi、Ｗ、Ｐd、Ｒu、Ａｌ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ、Ｙ_２Ｏ_３である。上記ギャップ７の寸法及び中心電極３と接地電極４の貴金属チップ５、６の材質によるスパークプラグで本発明の効果は十分えられたが、本発明では上記の寸法、材質に制限されることはない。

さらに、本発明になる内燃機関用スパークプラグは、上記の構造のスパークプラグに限定されるものではなく、本発明技術思想を適用することができる種々構造のスパークプラグであってもよい。

本発明になる内燃機関用スパークプラグの実施形態を示す要部拡大断面図である。 本発明になる内燃機関用スパークプラグの実施形態を示すと共に作用説明に供する要部拡大断面図である。 本発明になる内燃機関用スパークプラグにおいて、整流手段をなす傾斜内周面部の変形例を示す要部拡大図である. 本発明になる内燃機関用スパークプラグにおいて、整流手段をなす傾斜内周面部の他の変形例を示す要部拡大図である。 本発明になる内燃機関用スパークプラグにおいて、整流手段をなす傾斜内周面 部の更に他の変形例を示す要部拡大図である。 本発明になる内燃機関用スパークプラグにおいて、整流手段をなす傾斜内周面部の更に他の変形例を示す要部拡大図である。 本発明になる内燃機関用スパークプラグの作用説明に供するもので、図１の下面図である。 本発明になる内燃機関用スパークプラグの実施形態を示す半断面全体構成図である。

符号の説明

１ ハウジング
１１ 端面部
１１１ 先端面
１１２ 整流手段をなす傾斜内周面部としてのテーパ面部
１１２ａ テーパ面
１１３ 整流手段をなす傾斜内周面部としての段部
１１４ 整流手段をなす傾斜内周面部としての曲面部
１１５ 整流手段をなす傾斜内周面部としての一部曲面部
２ 絶縁碍子
３ 中心電極
４ 接地電極
２０ 燃焼室
２１ タンブル渦の気流
２３ 放電火花
２４ 火炎の流れ
２５ 火炎の塊
２６ ピストン
Ｄ ハウジング１の内径
Ｗ１ ハウジング１の端面部１１の肉厚
Ｗ２ 整流手段をなす傾斜内周面部としてのテーパ面部１１２の半径方向水平長さ

Claims (9)

1. 内燃機関に装着され、
   中心電極と、
   前記中心電極との間で放電火花を形成する接地電極を有し前記中心電極の外周に配置された円環状のハウジングと、
   前記中心電極と前記ハウジングとの間に設けられ前記中心電極と前記ハウジングとの電気的絶縁をなす絶縁碍子と、を備えた内燃機関用スパークプラグにおいて、
   前記ハウジングの端面部に、前記内燃機関の燃焼室内の混合気のタンブル渦気流を前記燃焼室の内部中央部方向へ制御する整流手段を設けたことを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
2. 前記絶縁碍子の先端面は、前記ハウジングの端面部の先端面より突出していることを特徴とする請求項１記載の内燃機関用スパークプラグ。
3. 前記整流手段は、前記ハウジングの端面部の内径面に設けられ、前記ハウジングの端面部の内径Ｄが該端面部の先端面に向かうにつれ大きくなっている傾斜内周面部であることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関用スパークプラグ。
4. 前記ハウジングの端面部の先端面と該端面部の先端面における前記傾斜内周面部の接線とのなす角度θは１０°〜６０°であることを特徴とする請求項３記載の内燃機関用スパークプラグ。
5. 前記傾斜内周面部の半径方向の水平長さＷ２は、０．５ｍｍ以上であり、且つ前記端面部の肉厚Ｗ１との比（Ｗ２／Ｗ１）が０．５〜１．０であることを特徴とする請求項３又は４記載の内燃機関用スパークプラグ。
6. 前記傾斜内周面部は、前記ハウジングの端面部の内径Ｄが該端面部の先端面に向かうにつれ大きくなる少なくとも一つのテーパ面部を備えていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一つに記載の内燃機関用スパークプラグ。
7. 前記傾斜内周面部は、前記ハウジングの端面部の内径Ｄが該端面部の先端面に向かうにつれ大きくなる少なくとも一つの段部を備えていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一つに記載の内燃機関用スパークプラグ。
8. 前記傾斜内周面部は、前記ハウジングの端面部の内径Ｄが大きくなる度合いが前記端面部の先端面に向かうにつれ徐々に小さくなる曲面部を備えていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一つに記載の内燃機関用スパークプラグ。
9. 前記傾斜内周面部は、前記ハウジングの端面部の全周の５０％以上形成されていることを特徴とする請求項３〜８のいずれか一つに記載の内燃機関用スパークプラグ。