JP2008544459A - 内燃機関用スパークプラグ - Google Patents

Abstract

本発明は、自動車の内燃機関用のスパークプラグ（１）に関する。前記スパークプラグは、基本的に全体に長い形状を有しており、一方が中央電極（３）であり、他方がエンジンにプラグ（１）をねじ込むためのネジ状シェル（２）である２つの同軸電極を備えた基本的に容量性の下方部（Ｃ）と、同軸心棒（８）の周囲に巻かれた複数のコイル（５１）を含む中央の巻き線（５）、外被（６）及び外被（６）と巻き線（５）の間に挿入される絶縁体（７）を備えた基本的に誘導性の上方部（Ｉ）とを備える。基本的に容量性の部分（Ｃ）と基本的に誘導性の部分（Ｉ）とは、外被（６）に印加される締め付け偶力が、基本的に容量性の下方部（Ｃ）に伝達可能となるように、機械的に相互接続される。本発明は、絶縁体（７）の膨張の影響を補うように、心棒（８）が弾性的に変形可能であることを特徴とする。

Description

本発明は、基本的に全体に長い形状を有する、自動車の内燃機関用のスパークプラグに関し、本スパークプラグは、
− 一つが中央電極であり、一つがエンジンにプラグをねじ込むためのネジ状バレルである２つの同軸電極を備える、基本的に容量性の下方部と、
− 同軸コアの周囲に巻かれた複数のコイルを含む中央の巻き線、外枠、及び外枠と巻き線の間に設置された絶縁体を備える、基本的に誘導性の上方部
とを備え、基本的に容量性の部分と基本的に誘導性の部分が機械的に相互接続されていることにより、外枠に加わる締め付けトルクが、基本的に容量性の下方部に伝達可能である。

効率の向上及び公害の削減に対する要望により、エンジン設計に対する制約が増大している。特に点火装置に対するこのような制約の結果、特にシリンダーヘッド内の空間を増大させて新しい冷却流路を通すことができるように、プラグの寸法が小さくなり、プラグアクセスウェルの半径方向の寸法が縮小された。プラグとプラグのアクセスウェルに割り当てられた空間の縮小は、とりわけプラグのアクセスウェル内に直接設置される「ペンシル」型コイルの生産につながった。

それでもやはり、１つにはプラグ自体とそのコイルの耐用年数の違いにより、他方では部品の標準化の目的（各種のエンジンが実際には特別に適合するプラグを要するのに対し、１種類のプラグコイルを様々なタイプのエンジンに共通とすることができる）により、プラグとそのコイルはほとんどの場合分離しており、その場合、前述の「ペンシル」型コイルの場合を含め、プラグとそのコイルの間に唯一存在する接続は電気的なものであって、これら２つの要素それぞれに対する機械的支持は別々に付与される。

また、従来技術において周知の一の取り付け方法によれば、プラグの締め付けトルクは通常プラグのバレルに加わり、前記バレルは従来、シリンダーヘッドに設けられた相補的な雌ネジと協働する雄ネジと、ネジ状アセンブリの締め付けをコントロールする要素とを備える。このような取り付け方法においては、コイルとプラグの周囲において、プラグアクセスウェル内にスライドして入る特殊な摺動ツールの使用を要する。従ってこのような構成においては、特にコイル周囲とプラグアクセスウェル内において、プラグの取り付け及び取り外し作業以外には使用されない自由空間が必要となる。このような空間の存在は、前述した寸法上の制約において不利となる。

下記の説明において「下方」は、内燃機関の燃焼室に一番近いスパークプラグの部分を指し、「上方」は、プラグの反対側の部分を指す。

また、高い導電率を有する材料の「薄い導電層」は、非磁性材料からなる金属層を指し、この層の厚さは、関連する周波数の範囲における膜の厚さ、つまり１〜１０メガヘルツと等しいか、それより大きく、電磁気の遮蔽機能を付与する。材料の高い伝導率は、この分野における基準材料である銅又は銀の導電性とに類似している。

プラグとそのコイルを取り付けるための様々な取り付け方法が知られており、これらの方法においては、エンジンのシリンダー先端部にプラグを機械的に取り付けるツールを通すためにアセンブリの周囲に確保された空間が最小限に縮小されている。

上述のように、例えば欧州特許第１２４９９０７号には、プラグアクセスウェルが、基本的に円筒状である特定の数の穴であって、それぞれの穴の直径がウェルの軸に基本的に垂直である少なくとも１つの座部を形成するよう調整された同心の平滑な穴と、プラグの共通軸に垂直なプラグの座面と、座部上のアクセスウェル支持部とから構成される、プラグとそのコイルの取り付け方法が開示されており、この方法では、プラグの位置決めは、プラグの下方部に位置し、アクセスウェルの壁に作られた相補的な加工面と協働する突出要素によって行われる。欧州特許第１２４９９０７号に記載されているデバイスの場合、一端がほぼ平らなクランプで終端するほぼ円筒状の管状部分から成る蓋であって、前記クランプの外径がアクセスウェルの直径よりも大きく、且つクランプの表面が管状部分とアクセスウェルの軸にほぼ垂直な蓋が、プラグの上方部に置かれる。蓋の寸法は、ほぼ平らなクランプがプラグアクセスウェルの上面に支持されている場合、蓋の管状部分の端部がプラグの一部に支持され、よってアクセスウェル内に圧縮されたプラグが保持されるように、調整される。アセンブリの締め付けは、ほぼ平らなクランプを燃焼室の上面にねじ留めすることにより行われる。欧州特許第１２４９９０７号に記載されているデバイスにおいては、コイルも蓋に組み込まれており、コイルとプラグの間の電気的接触は、蓋の位置決めの際に圧縮されるらせん状のバネによって行われる。
このようなデバイスは、締め付けツールをプラグアクセスウェルに通すための特別な空間の必要性を排除するが、それでもやはり多数の精密部品の作製を要する。

加えてこのデバイスは、特にプラグとそのために選択されたコイルの間の接続方法の理由から、高周波のプラズマプラグにはあまり適さない。
実際には、高周波プラズマプラグは通常、主にプラグコイルと、基本的に導電性の部分の遮蔽となる外枠から成る基本的に導電性の上方部と、主に同軸構造から成る基本的に容量性の下方部とを含み、このアセンブリは同軸ライン共振器のように動作する。現在、このような共振器の様々なコンポーネント間の電気的接続の継続性と質は、その性能の最適化において重要な役割を持つことが知られている。また、共振器の前記要素の寸法は、共振器の性能が最適化されるように、高周波の動作範囲に従って決定されなければならない。具体的には、燃焼室へのアクセスネジの幾何学的特徴の観点から、電気容量を小さく保つために、基本的に容量性の部分の長さをできるだけ短くしなければならない。更に、上述のように構成された共振器の倍率の値が最適となるように、基本的に導電性の部分の直径をできるだけ大きくしなければならない。従ってこれらの制約により、前述の共振器を構成するアセンブリの要素の作製及び取り付け方法の見直しが必要となる。

本発明の目的は、コイルとプラグを構成するその他の要素の間の接続により電気的保護と機械的接続の両方が行なわれると同時に、このように構成されたアセンブリをプラグのバレル上に保持するために、コイル周囲でツールを摺動させることなく設置することが可能なアセンブリデバイスを提供することである。

この目的のために、本発明は、コアが弾性的に変形可能であることにより絶縁体の膨張の影響を補うことを特徴とする上述の種類のプラグを提供する。
本発明の他の特徴によれば、コアは、多角形の断面を有するシリンダーである。
本発明の他の特徴によれば、コアは、回転により生じるシリンダーである。
本発明の他の特徴によれば、コアは、チューブである。
本発明の他の特徴によれば、コアは、固体のシリンダーである。

本発明の他の特徴によれば、コアの一方の端部は、プラグを受け入れる軸方向の深さの凹部を備え、この深さは、コアの端部と巻き線の第１コイルの間に規定される距離と等しいか又はそれより大きい。

本発明の他の特徴によれば、端部が中央電極の接続と対応する。
本発明の他の特徴によれば、プラグが高密度のポリマでできている。
本発明の他の特徴によれば、コアが様々なポリマから選択される。

本発明は、好ましくは高周波のプラズマスパークプラグに適用されるが、これに限定されない。
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図を参照し、実施形態の説明を読むことにより明らかとなる。
同一又は同様の要素には同じ参照番号が付与されている。

図１に示すように、全体がほぼ円筒状の高周波プラズマプラグ１は、主に基本的に容量性の下方部Ｃと、基本的に誘導性の上方部Ｉとを備え、部分Ｃ及びＩは、基本的に長い形状を持ち、直列に接続し、共通の縦軸Ｚを含む。

固定接続の方法は、基本的に容量性の部分Ｃ及び基本的に誘導性の部分Ｉ各々の特定の要素間に導入される。基本的に誘導性の部分Ｉから基本的に容量性の部分Ｃへ締付けトルクを伝達可能にする材料及び形状を使用することにより、プラグ１の部分Ｃ及びＩの間の接続を、機械的視点及び電気的視点の両面から最適化できる。

具体的には、基本的に容量性の部分Ｃは、アースに接続されて基本的に円筒状の中央電極３を囲むバレル２を備え、それらの軸Ｚは高電圧の電極として機能する。「絶縁体」４と呼ばれる電気的絶縁部品がバレル２と中央電極３の間に設置され、この絶縁体は電極２と３の間にスパークを誘導するよう構成されている。従来技術に周知の方法では、プラグ１を取り付けた内燃機関のシリンダーヘッドに最も近い、バレル２の下方部の外面の形状は、シリンダーヘッド内におけるプラグ１の設置、支持、及び締め付けに適している（例えば、図１に示すようにネジを含むが、これに限定されない）。

プラグ１の基本的に誘導性の部分Ｉの一部は、有利には、中央電極３及びプラグ１のＺ軸と基本的に共通の軸を有する巻き線５を含む。また巻き線５は、外枠６に囲まれ、プラグ１の電磁気放出を減らし、遮蔽となる。プラグ１の基本的に容量性の部分Ｃと基本的に誘導性の部分Ｉを接続する締付けトルクは、外枠６によって伝達される。この種の伝達の主な利点は、得られる最大の半径において、レバレッジ効果が最適となるポイントに機械的拘束を集中することで、材料自体にかかる機械的拘束を最小限に抑えることにある。基本的に誘導性の部分Ｉから基本的に容量性の部分Ｃへの締付けトルクの伝達は、結局外枠６からバレル２へのねじりモーメントの伝達となる。

この外枠６は、例えばポリマ又は金属等の剛性材料から作られる。
外枠が金属製の場合。既知の工業的方法によれば、外枠６は種々の適切な技術によって、様々な金属材料から作製可能である。具体的には、外枠６は、例えば（スタンピング又はプレスにより）バレル２と同時に、あるいは、（バレル２のスタンピング及び外枠６の引き抜き／圧延により）２つの部品を別々に作製した後に、バレル２に溶接されることにより作製することができるが、これに限定されない。外枠６の内面は、数十ミクロン厚（例えば、一般的に３０〜５０μｍ）の高い導電率を持つ材料（例えば、銀又は銅であるが、これに限定されない）の層で塗布しなければならない。これは、外枠６の高周波導電率を改善し、外枠６内の膜の影響による損失を抑えるためである。プラグの基本的に誘導性の部分Ｉから基本的に容量性の部分Ｃへの締付けトルク（ここでは、ねじりモーメント）の伝達は、生産工程において、外枠６とバレル２の間に、前述の方法（スタンピング又はプレスにより外枠とバレルを同時に作製するか、又は別々に作製した後に、例えば溶接により外枠６とバレル２の固定アセンブリを作製する）の一つにより作られた、剛性の金属からなる接続部により得られる。

外枠がポリマタイプの絶縁材料からできている場合。この材料は、金属材料よりも機械的剛性が小さいため、バレル２への締付けトルクの伝達を可能にするには、外枠６が比較的厚く（原則的に、例えば数ミリ程度）なければならない。基本的に誘導性の部分の遮蔽機能を付与するため、外枠６の外面に数十ミクロン厚（例えば、一般的に３０〜５０μｍであるが、これに限定されない）の、高い導電率を持つ材料（例えば、銀又は銅であるが、これに限定されない）の層を塗布しなければならない。外枠６の外面にこのような塗布を行うことにより、基本的に誘導性の部分Ｉの外径がわずかに増大し、部分Ｃ及びＩから構成された共振器の倍率が向上する。プラグ１の基本的に誘導性の部分Ｉと基本的に容量性の部分Ｃの間の締付けトルクの伝達は、未公開の仏国特許出願第０４５２７９０号に記載されているように、バレル２と外枠６の間の境界面を適切に成形することにより得られる。

外枠６の寸法は、巻き線５と外枠６の間のアーク放電のリスクを最小限に抑えるように計算される。有利には、望ましくないエネルギー損失の原因であるアーク放電のリスクを更に減らすために、巻き線５と外枠６の間に絶縁体７が設置され、巻き線５がコア８に巻かれる。図１に示す高周波プラズマプラグの実施形態においては、絶縁体７と絶縁体４の間に相補的な絶縁体９が更に設けられ、これによりバレル２と中央電極３とが分離され、部品１０がバレル２と電気的に接続し、絶縁体４、７及び９の支持体の間を接続する。

これらの様々な要素のアセンブリの材料、実施形態及び方法は、境界面における空気の含有を可能な限り制限し、またアーク放電及び損失の原因を制限するために決定され、使用される。

電流測定用巻き線１１も、通常巻き線５に巻かれており、コネクタ１２（詳細に図示せず）に接続される接続デバイス１３がプラグ１の上端に設置されている。巻き線５の上方コイル５２はコネクタ１２に接続し、巻き線５の下方コイル５１は中央電極３の一方の内部端に、適切な手段１４（詳細に図示せず）によって接続している。

望ましくない電気容量をできるだけ減らすため（上述のように、容量性の部分の電気容量値が小さいほど、そのような構成の共振器の性能が向上する）、基本的に容量性の部分Ｃと基本的に誘導性の部分Ｉの間の接続部の長さは、可能な限り短くしなければならない。同様に、基本的に誘導性の部分Ｉの直径が大きいほど、直列に設置された基本的に誘導性の部分Ｉと基本的に容量性の部分Ｃにより構成された同軸ライン共振器の倍率が向上する。いずれにせよ、基本的に容量性の部分Ｃと基本的に誘導性の部分Ｉの間の接続部の電気的品質（特に電気的保護）は、共振器の性能を最適化するために最高のものでなければならない。

第１実施形態によれば、コア８は、弾性的に変形可能な多角形断面を持つチューブである。図２に示すように、このチューブは六角形の断面を有している。軸方向の壁又は面８２のそれぞれの厚さは、軸方向の壁又は面８２が弾性的に変形可能であるように決められている。例えば、軸方向の壁又は面８２の厚さは、０．２〜０．５ｍｍとすることができる。巻き線５と外枠６の間に設置された絶縁体７は、例えばシリコンのような、温度に対する膨張係数が高い非圧縮性の流体又は固体から選択することができるが、シリコンに限定されない。この場合、軸方向の壁又は面８２は弾性的に変形可能であり、これにより絶縁体７の膨張の影響を補う。この変形の際、軸方向の壁又は軸方向面８２はチューブの内側に向かって半径方向に湾曲し、軸方向の縁８３は基本的に同一位置を保ち、これにより、図３に示すように、巻き線がコア８の周囲でほぼ同じ巻きつき位置を保つことができる。

第２実施形態によれば、コア８は、弾性的に変形可能な多角形断面を持つ固体のシリンダーである。図４に示すように、固体のシリンダーは円筒状断面を有する。コア８は、ポリマ（例えば、ポリマ発泡体、膨張ポリマ）等の圧縮可能な材料から選択される。巻き線５及び外枠６の間に設置される絶縁体７は、例えばシリコンのような、温度に対する膨張係数が高い非圧縮性の流体又は固体から選択することができるが、この例に限定されない。この場合、コア８はそれ自体の容量の減少により変形可能であり、これにより図５に示すように、絶縁体７の膨張の影響を補う。

説明した実施形態においては、通常選択される材料の密度は低い。この結果、巻き線／プラグのアセンブリの重量が減少し、従って振動の際の部品の慣性の点で、大幅な改善が達成される。

前述の実施形態では、図６に示すように、手段１４が、巻き線５の下方コイル５１と中央電極３を接続することにより漏電が防止されている。この目的のため、コア８の一方の端部８１は、プラグ２０を受け入れる軸方向の深さｈの凹部を含む。加えて、深さｈは、コア８の端部８１と巻き線５の下方コイル５１の間に画定される距離ｄと等しいか、又はそれより大きい。更に、プラグ２０の寸法は、コア８と中央電極３の間に機械的支持と同心度を付与するように決められ、コア８の端部８１は、穴２１を有するプラグ２０を備え、この穴２１は、少なくとも中央電極３の先端がこの穴２１を通るように形成されている。プラグ２０は、ポリエチレン等の高密度ポリマからできていてもよい。

前述したすべての実施形態において、本発明によるプラグ１のアセンブリの電気的保護は、コネクタ１２をプラグ１の電源に接続する接続要素１３によって最終的に決定される。

有利には、特に外枠６に（例えば、限定しないが、外枠６とバレル２の接続に関して前述した種類の手段の一つによって）固定接続される接続要素１３は、エンジンのシリンダーヘッドにプラグ１を装着して締付けるための簡単な締め付けツールの使用に適した形状を有する。

これにより、本発明によるスパークプラグ１は、プラグ周囲で特別なツールをスライドさせる必要なく、アクセスウェルへの設置及びアクセスウェルからの取り外しが可能であることが判る。従って、プラグの取り付け及び取り外し作業のみに使用される特別なツールを通すために必要な空間を、プラグ１のアクセスウェルに設ける必要がない。

高周波プラズマプラグへの適用について本明細書に記載され、好ましくはこの種類のプラグを対象とする、スパークプラグ１の２つの部分（プラグ自体とその巻き線）の間の、機械的に堅牢で、電気的に正常な接続方式は、従来のあらゆる種類のプラグに適用可能である。

本発明による高周波プラズマプラグの軸Ｚに沿った概略断面図である。 本発明の第１実施形態による高周波プラズマプラグの外枠と、弾性的に変形可能な多角形断面を有する円筒状のコアの間に設置された、絶縁体の概略斜視図である。 本発明の第１実施形態による高周波プラズマプラグの外枠と、変形した多角形断面の円筒状のコアの間に設置された、絶縁体の概略斜視図である。 本発明の第２実施形態による高周波プラズマプラグの外枠と、回転により生じる弾性的に変形可能な円筒状のコアの間に設置された、絶縁体の概略斜視図である。 本発明の第２実施形態による高周波プラズマプラグの外枠と、回転により生じる変形円筒状のコアの間に設置された、絶縁体の概略斜視図である。 本発明による高周波プラズマプラグの外枠と、弾性的に変形可能でプラグを備え、且つ多角形断面を有する円筒状のコアの間に設置された、絶縁体の概略斜視図である。

Claims (9)

1. 基本的に全体に長い形状を有する、自動車の内燃機関用のスパークプラグ（１）であって、
   − 一方が中央電極（３）であり、他方がエンジンにプラグ（１）をねじ込むためのネジ状バレル（２）である２つの同軸電極を備える、基本的に容量性の下方部（Ｃ）と、
   − 同軸コア（８）の周囲に巻かれた複数のコイル（５１）を含む中央の巻き線（５）、外枠（６）及び、外枠（６）と巻き線（５）の間に設置された絶縁体（７）を備える、基本的に誘導性の上方部（Ｉ）と
   を備え、外枠（６）に印加される締め付けトルクが、基本的に容量性の下方部（Ｃ）に伝達可能となるように、基本的に容量性の部分（Ｃ）と基本的に誘導性の部分（Ｉ）が機械的に相互接続されており、絶縁体（７）の膨張の影響を補うように、コア（８）が弾性的に変形可能であることを特徴とする、スパークプラグ（１）。
2. 前記コア（８）が多角形の断面を有するシリンダーであることを特徴とする、請求項１に記載のスパークプラグ（１）。
3. 前記コア（８）が回転により生じるシリンダーであることを特徴とする、請求項２に記載のスパークプラグ（１）。
4. 前記コア（８）がチューブであることを特徴とする、請求項２又は３に記載のスパークプラグ（１）。
5. 前記コア（８）が固体のシリンダーであることを特徴とする、請求項２又は３に記載のスパークプラグ（１）。
6. 前記コア（８）の一方の端部（８１）が、プラグ（２０）を受け入れる軸方向深さ（ｈ）の凹部を備えること、及び前記深さ（ｈ）が、コア（８）の端部（８１）と巻き線（５）の第１コイル（５１）の間に規定される距離（ｄ）と等しいか、又は規定距離（ｄ）より大きいことを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか一項に記載のスパークプラグ（１）。
7. 前記端部（８１）が中央電極（３）との接続に対応することを特徴とする、請求項６に記載のスパークプラグ（１）。
8. 前記プラグ（２０）が高密度ポリマから形成されていることを特徴とする、請求項６又は７に記載のスパークプラグ（１）。
9. 前記コア（８）が様々なポリマから選択されることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか一項に記載のスパークプラグ（１）。

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