JP2010251216A - 内燃機関用スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】貴金属チップを設けることなく（すなわち、生産性の低下を招くことなく）、低廉な構成により着火性の向上を図る。
【解決手段】スパークプラグ１は、中心電極５と、絶縁碍子２と、絶縁碍子２の外周に設けられた主体金具３と、自身の先端部が中心電極５の先端部との間で火花放電間隙３３を形成する接地電極２７とを備える。中心電極５は、円柱状の柱状部５Ａと、柱状部５Ａの先端から接地電極２７側へと突出する半球部５Ｂとを有する。接地電極２７は、中心電極５の先端部と対向する部位に、中心電極５側へと突出する湾曲面部２７Ａを有する。柱状部５Ａの先端の直径をＤ_Pとし、半球部５Ｂの曲率半径をＲ_Hとし、接地電極２７の幅をＷ_Gとし、接地電極２７の中心軸ＣＬ２と直交する断面における湾曲面部２７Ａの曲率半径をＲ_Cとしたとき、０．５Ｄ_P≦Ｒ_H≦Ｄ_P及び０．５Ｗ_G≦Ｒ_C≦Ｗ_Gを満たす。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関に使用されるスパークプラグに関する。

自動車エンジン等の内燃機関に使用されるスパークプラグは、例えば、軸線方向に延びる中心電極と、その外側に設けられた絶縁体と、当該絶縁体の外側に設けられた円筒状の主体金具と、基端部が前記主体金具の先端部に接合された接地電極とを備える。また、接地電極は、その先端部が前記中心電極の先端部と対向するように曲げ返して配置され、これにより中心電極の先端部及び接地電極の先端部の間に火花放電間隙が形成される。また、中心電極や接地電極を構成する材料としては、比較的安価であり、かつ、耐熱性、耐腐食性に優れるニッケル（Ｎｉ）合金が一般的に用いられる。

ところで近年、着火性の向上を図るべく、中心電極の先端部を細径化したり、接地電極のうち中心電極の先端部と対向する部位に突部を設けたりする技術が知られている。

ところが、中心電極や接地電極がＮｉ合金により形成されている場合、Ｎｉ合金は比較的消耗しやすいことから、上述のように中心電極の先端部を細径化等したりして、消耗体積を減少させるような構成とすると、火花放電間隙の急激な拡大を招いてしまうおそれがある。

そこで、耐消耗性に優れる貴金属合金（例えば、イリジウム合金等）を細径化してなる貴金属チップを中心電極や接地電極の先端部に設けることが提案されている（例えば、特許文献１等参照）。

特開２００２−２３７３６６号公報

しかしながら、近年の資源不足による貴金属価格の高騰等に伴い、貴金属チップを設けるにあたっては、製造コストの著しい増大が懸念される。また、貴金属チップを設ける場合には、貴金属チップの接合や加工等の工程が必要となるため、生産性の低下を招いてしまうおそれがある。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、貴金属チップを設けることなく（すなわち、生産性の低下を招くことなく）、低廉な構成により着火性の向上を図ることができる内燃機関用スパークプラグを提供することにある。

以下、上記目的を解決するのに適した各構成につき、項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する構成に特有の作用効果を付記する。

構成１．本構成の内燃機関用スパークプラグは、軸線方向に延びる棒状の中心電極と、
前記軸線方向に延びる軸孔を有するとともに、前記中心電極を前記軸孔の先端側に備えた筒状の絶縁体と、
前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
前記主体金具の先端部から延び、自身の先端部が前記中心電極の先端部との間で間隙を形成する接地電極とを備えた内燃機関用スパークプラグであって、
前記中心電極は、
自身の後端側から先端側へと延びる円柱状の柱状部と、
前記柱状部の先端から前記接地電極の先端部側へと突出する半球状の半球部とを有するとともに、
前記接地電極は、
少なくとも前記中心電極に対向する部位に、前記中心電極側へと突出する湾曲状の湾曲面部を有し、
前記柱状部の先端の直径をＤ_Pとし、前記半球部の曲率半径をＲ_Hとし、前記接地電極の幅をＷ_Gとし、前記接地電極の中心軸と直交する断面における前記湾曲面部の曲率半径をＲ_Cとしたとき、次の式（１）及び（２）を満たすことを特徴とする。

０．５Ｄ_P≦Ｒ_H≦Ｄ_P…（１）
０．５Ｗ_G≦Ｒ_C≦Ｗ_G…（２）
上記構成１によれば、中心電極は先端部に半球部を有しており、当該半球部が接地電極の湾曲面部と対向している。従って、両電極間に形成される前記間隙（火花放電間隙）について鑑みると、当該間隙のうち最も距離の小さい箇所から離間するにつれて、前記間隙が拡大していくこととなる。従って、両電極間で生じる火炎核が成長するためのスペースを十分に確保できるとともに、火炎核の熱が両電極によって引かれてしまうことをより確実に抑制できる。その結果、火炎核をより大きく成長させることができ、着火性の向上を図ることができる。

さらに、前記間隙は、互いに表面が湾曲面状をなす半球部と湾曲面部との間に形成される。ここで、両電極の対向面のうち、例えば、一方の電極の対向面が平坦状に形成されていると、当該一方の電極には、他方の電極との対向部分に電界強度の比較的大きなエッジ部分が形成されることとなる。そのため、両電極間での火花放電は、主として、前記一方の電極のエッジ部分と他方の電極との間を結ぶようにして生じる。このとき、燃料噴射口からの混合気の噴射等により火花が流され得るが、前記エッジ部分から火花が飛んでいる場合、エッジ部分から外側へと飛火位置（火花の出ている位置）が移動することはできず、両電極を結ぶ火花が比較的容易に切れてしまいやすい。また、火花が切れてしまうと、火炎核は電極からの放電エネルギーを十分に得ることができないため、十分に成長することができず、不完全燃焼を起こしてしまうおそれがある。さらに、火炎核に供給されなかった残存エネルギーによって、両電極間で再度の放電が発生してしまい、電極の消耗がより進んでしまうことも懸念される。

この点、上記構成１によれば、主に、半球部及び湾曲面部のうち前記間隙が最も小さくなる部位の間（例えば、半球部の中心と、湾曲面部のうち半球部側に最も突出する部位との間）を結ぶようにして火花放電を生じさせることができる。そのため、混合気の噴射により火花が流されたとしても、飛火位置を半球部及び湾曲面部の表面に沿って移動させることができる。このため、火花が比較的長期間に亘って切れることなく存在することとなり、火炎核は電極からのエネルギーを十分に得ることができる。その結果、火炎核をより一層大きく成長させることができ、着火性の更なる向上を図ることができる。

併せて、電極にエネルギーが残存してしまうことを防止できるため、再度の放電が発生してしまうことをより確実に防止できる。これにより、両電極の消耗量を低減させることができるため、特に本構成のように貴金属チップを設けない場合において懸念される、耐消耗性の低下という事態をより確実に抑制することができる。

尚、上述の作用効果をより確実に発揮させるためには、柱状部の先端の直径をＤ_Pとし、半球部の曲率半径をＲ_Hとし、接地電極の幅をＷ_Gとし、接地電極の中心軸と直交する断面における湾曲面部の曲率半径をＲ_Cとしたときに、０．５Ｄ_P≦Ｒ_H≦Ｄ_P、及び、０．５Ｗ_G≦Ｒ_C≦Ｗ_Gを満たすようにして構成することが好ましい。すなわち、Ｒ_H＞Ｄ_Pとしたり、Ｒ_C＞Ｗ_Gとしたりすれば、上述の作用効果を奏する上で重要な半球部や湾曲面部が略平坦状に形成されることとなってしまう。また、半球部において、０．５Ｄ_P＞Ｒ_Hとするためには、柱状部と半球部との間に段差等を設ける必要があるが、段差等を設けると、当該段差部分のエッジと接地電極との間において異常な火花放電が発生しやすくなり、ひいては着火性の低下を招いてしまうおそれがある。また、０．５Ｄ_P＞Ｒ_Hとすれば、半球部の体積の減少を招いてしまい、耐消耗性の低下が懸念される。一方で、接地電極の湾曲面部について、０．５Ｗ_G＞Ｒ_Cとすれば、接地電極が過度に細径化されてしまい、接地電極の機械的強度等が低下してしまうおそれがある。

構成２．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１において、０．５Ｄ_P≦Ｗ_G≦Ｄ_Pを満たすことを特徴とする。

上記構成２によれば、接地電極の幅が、柱状部先端の直径以下と比較的小さくされている。従って、火炎核の成長が接地電極により妨げられてしまうことをより一層抑制することができ、着火性の一層の向上を図ることができる。一方で、接地電極の幅を小さくすることで、接地電極の機械的強度の低下が懸念されるが、接地電極は、少なくとも柱状部先端の半径以上の幅を有しているため、接地電極の機械的強度を十分に維持することができる。

構成３．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１又は２において、前記半球部のうちの前記接地電極側へと最も突出する部位と、前記湾曲面部のうちの前記中心電極側へと最も突出する部位とが前記軸線上に位置することを特徴とする。

上記構成３によれば、軸線ＣＬ１上において、半球部のうち最も接地電極に近接する部位と、湾曲面部のうち最も中心電極に近接する部位とが対向することとなる。従って、上記各構成の作用効果がより確実に、かつ、より効果的に奏されることとなる。

構成４．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１乃至３のいずれかにおいて、前記接地電極のうち、前記中心電極側に位置する部位の背面部分であって、少なくとも前記軸線と直交する方向に沿って前記間隙に対応する部分を、前記接地電極の中心軸側に向けて幅広となる形状としたことを特徴とする。

上記構成４によれば、接地電極のうち、中心電極側に位置する部位の背面部分であって、少なくとも軸線と直交する方向に沿って火花放電間隙に対応する部分が、接地電極の中心軸側に向けて幅広となるように形成されている。従って、燃料噴射装置と火花放電間隙との間に接地電極が位置するようにしてスパークプラグの取付けが行われた場合であっても、噴射された燃料を含む混合気は、接地電極を回り込んで火花放電間隙へと比較的スムーズに流入することとなる。このため、着火性のより一層の向上を図ることができる。

スパークプラグの構成を示す一部破断正面図である。 スパークプラグの先端部の構成を示す部分拡大正面図である。 スパークプラグの先端部の構成を示す部分拡大側面図である。 （ａ），（ｂ）は、接地電極の背面形状の別例を示す部分拡大側面図である。 着火性評価試験の結果を示すグラフである。 接地電極の背面形状が異なる各サンプルについての空燃比低下量を示すグラフである。 別の実施形態における接地電極の背面形状を示す部分拡大側面図である。

以下に、一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、内燃機関用スパークプラグ（以下、「スパークプラグ」と称す）１を示す一部破断正面図である。なお、図１では、スパークプラグ１の軸線ＣＬ１方向を図面における上下方向とし、下側をスパークプラグ１の先端側、上側を後端側として説明する。

スパークプラグ１は、筒状をなす絶縁体としての絶縁碍子２、これを保持する筒状の主体金具３などから構成されるものである。

絶縁碍子２は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成されており、その外形部において、後端側に形成された後端側胴部１０と、当該後端側胴部１０よりも先端側において径方向外向きに突出形成された大径部１１と、当該大径部１１よりも先端側においてこれよりも細径に形成された中胴部１２と、当該中胴部１２よりも先端側においてこれより細径に形成された脚長部１３とを備えている。加えて、絶縁碍子２のうち、大径部１１、中胴部１２、及び、大部分の脚長部１３は、主体金具３の内部に収容されている。そして、脚長部１３と中胴部１２との連接部にはテーパ状の段部１４が形成されており、当該段部１４にて絶縁碍子２が主体金具３に係止されている。

さらに、絶縁碍子２には、軸線ＣＬ１に沿って軸孔４が貫通形成されており、当該軸孔４の先端側には中心電極５が挿入、固定されている。当該中心電極５は、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするＮｉ合金により構成されている。尚、中心電極５の内部に、良熱伝導性に優れる銅又は銅合金からなる内層を設け、中心電極５を二層構造に構成することとしてもよい。さらに、中心電極５は、全体として棒状（円柱状）をなし、その先端部分が絶縁碍子２の先端から突出している。

また、軸孔４の後端側には、絶縁碍子２の後端から突出した状態で端子電極６が挿入、固定されている。

さらに、軸孔４の中心電極５と端子電極６との間には、円柱状の抵抗体７が配設されている。当該抵抗体７の両端部は、導電性のガラスシール層８，９を介して、中心電極５と端子電極６とにそれぞれ電気的に接続されている。

加えて、前記主体金具３は、低炭素鋼等の金属により筒状に形成されており、その外周面にはスパークプラグ１を内燃機関の取付孔に取付けるためのねじ部（雄ねじ部）１５が形成されている。また、ねじ部１５の後端側の外周面には座部１６が形成され、ねじ部１５後端のねじ首１７にはリング状のガスケット１８が嵌め込まれている。さらに、主体金具３の後端側には、主体金具３を内燃機関に取付ける際にレンチ等の工具を係合させるための断面六角形状の工具係合部１９が設けられるとともに、後端部において絶縁碍子２を保持するための加締め部２０が設けられている。

また、主体金具３の内周面には、絶縁碍子２を係止するためのテーパ状の段部２１が設けられている。そして、絶縁碍子２は、主体金具３の後端側から先端側に向かって挿入され、自身の段部１４が主体金具３の段部２１に係止された状態で、主体金具３の後端側の開口部を径方向内側に加締めること、つまり上記加締め部２０を形成することによって固定される。尚、絶縁碍子２及び主体金具３双方の段部１４，２１間には、円環状の板パッキン２２が介在されている。これにより、燃焼室内の気密性を保持し、燃焼室内に晒される絶縁碍子２の脚長部１３と主体金具３の内周面との隙間に入り込む燃料空気が外部に漏れないようになっている。

さらに、加締めによる密閉をより完全なものとするため、主体金具３の後端側においては、主体金具３と絶縁碍子２との間に環状のリング部材２３，２４が介在され、リング部材２３，２４間にはタルク（滑石）２５の粉末が充填されている。すなわち、主体金具３は、板パッキン２２、リング部材２３，２４及びタルク２５を介して絶縁碍子２を保持している。

また、主体金具３の先端部２６には、略中間部分が曲げ返されて、その先端側側面が中心電極５の先端部と対向する接地電極２７が接合されている。当該接地電極２７は、Ｎｉ合金〔例えば、インコネル６００やインコネル６０１（いずれも登録商標）〕によって構成されている。尚、接地電極２７の内部に、Ｎｉ合金よりも良熱導電性金属である銅合金又は純銅によって形成された内層を設けることとしてもよい。

加えて、中心電極５の先端部と、接地電極２７の先端側面部との間には、間隙としての火花放電間隙３３が形成されている。また、火花放電間隙３３の軸線ＣＬ１に沿った大きさは、０．９ｍｍ〜１．１ｍｍとされている。

さらに、図２及び図３に示すように、中心電極５は、軸線ＣＬ１方向に沿って延びる柱状部５Ａと、当該柱状部５Ａと一体的に形成され、中心電極５の先端部に位置する半球部５Ｂとを備えている。

前記柱状部５Ａは、中心電極５の後端側から先端側へと軸線ＣＬ１に沿って延びる円柱状をなしている。

前記半球部５Ｂは、前記柱状部５Ａの先端から連続して形成されており、接地電極２７の先端部側（軸線ＣＬ１方向先端側）へと突出する半球状をなしている。また、前記柱状部５Ａの先端の直径をＤ_Pとしたとき、半球部５Ｂの曲率半径Ｒ_Hは、０．５Ｄ_P≦Ｒ_H≦Ｄ_Pを満たすようにして構成されている。尚、本実施形態において、柱状部５Ａ先端の直径Ｄ_Pは、１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とされており、ひいては半球部５Ｂは十分に大きな体積を有するものとなっている。

さらに、接地電極２７のうち中心電極５側に位置する側面部分の全域には、中心電極５側へと突出する湾曲状の湾曲面部２７Ａが形成されている。当該湾曲面部２７Ａは、接地電極２７の幅をＷ_Gとしたとき、接地電極２７の中心軸と直交する断面における湾曲面部２７Ａの曲率半径Ｒ_Cが、０．５Ｗ_G≦Ｒ_C≦Ｗ_Gとなるように構成されている。尚、接地電極２７の幅Ｗ_Gに関しては、０．５Ｄ_P≦Ｗ_G≦Ｄ_Pを満たすように、すなわち、柱状部５Ａ先端の直径Ｄ_Pと比較して幅狭になるように構成されている。

また、接地電極２７のうち、中心電極５側に位置する部位の背面部分の全域は、中心電極５から遠ざかる側へと膨出する湾曲状に形成されている。すなわち、接地電極２７の背面部分は、接地電極２７の中心軸ＣＬ２側に向けて幅広となるように構成されている。

尚、接地電極２７の背面部分については、図４（ａ）に示すように、幅方向端縁部に面取り加工を施した形状としたり、図４（ｂ）に示すように、中心電極５とは離間する側へと突出する山形状に形成したりすることとしてもよい。

加えて、本実施形態においては、前記半球部５Ｂのうち接地電極２７側に最も突出する部位ＣＰ１と、湾曲面部２７Ａのうち中心電極５側に最も突出する部位ＣＰ２とが、軸線ＣＬ１上に位置した状態で対向している。

次に、上記のように構成されてなるスパークプラグ１の製造方法について説明する。まず、主体金具３を予め加工しておく。すなわち、円柱状の金属素材（例えばＳ１７ＣやＳ２５Ｃといった鉄系素材やステンレス素材）を冷間鍛造加工により貫通孔を形成し、概形を製造する。その後、切削加工を施すことで外形を整え、主体金具中間体を得る。

次いで、Ｎｉ合金に鍛造加工や切削加工を施すことで、湾曲面部２７Ａ等を備えてなる直棒状の接地電極２７を製造しておく。

その後、主体金具中間体の先端面に、前記直棒状の接地電極２７を抵抗溶接する。当該溶接に際してはいわゆる「ダレ」が生じるので、その「ダレ」を除去した後、主体金具中間体の所定部位にねじ部１５が転造によって形成される。これにより、接地電極２７の溶接された主体金具３が得られる。また、接地電極２７の溶接された主体金具３には、亜鉛メッキ或いはニッケルメッキが施される。尚、耐食性向上を図るべく、その表面に、さらにクロメート処理が施されることとしてもよい。メッキ処理が施された後、接地電極２７のうち、少なくとも屈曲部分に相当する部位を覆うメッキが除去される。

一方、前記主体金具３とは別に、絶縁碍子２を成形加工しておく。例えば、アルミナを主体としバインダ等を含む原料粉末を用い、成型用素地造粒物を調製し、これを用いてラバープレス成形を行うことで、筒状の成形体が得られる。そして、得られた成形体に対し、研削加工が施され外形が整形された上で、焼成加工が施されることにより絶縁碍子２が得られる。

また、前記主体金具３、絶縁碍子２とは別に、中心電極５を製造しておく。すなわち、Ｎｉ合金に鍛造加工や切削加工等を施すことにより、柱状部５Ａ及び半球部５Ｂを有する中心電極５を作製する。

そして、上記のようにして得られた絶縁碍子２及び中心電極５と、抵抗体７と、端子電極６とが、ガラスシール層８，９によって封着固定される。ガラスシール層８，９としては、一般的にホウ珪酸ガラスと金属粉末とが混合されて調製されており、当該調製されたものが抵抗体７を挟むようにして絶縁碍子２の軸孔４内に注入された後、後方から前記端子電極６が押圧された状態で、焼成炉内にて焼き固められる。尚、このとき、絶縁碍子２の後端側胴部１０の表面には釉薬層が同時に焼成されることとしてもよいし、事前に釉薬層が形成されることとしてもよい。

その後、上記のようにそれぞれ作製された中心電極５及び端子電極６を備える絶縁碍子２と、接地電極２７を備える主体金具３とが組付けられる。より詳しくは、比較的薄肉に形成された主体金具３の後端側の開口部を径方向内側に加締めること、つまり上記加締め部２０を形成することによって固定される。

そして最後に、接地電極２７の略中間部分を屈曲させることで、前記火花放電間隙３３の大きさ、並びに、半球部５Ａの部位ＣＰ１及び湾曲面部２７Ａの部位ＣＰ２の位置関係を調整する加工が実施され、上述のスパークプラグ１が得られる。

以上詳述したように、本実施形態によれば、中心電極５は先端部に半球部５Ｂを有しており、当該半球部５Ｂが接地電極２７の湾曲面部２７Ａと対向している。従って、両電極５，２７間に形成される前記火花放電間隙３３について鑑みると、当該火花放電間隙３３のうち最も距離の小さい箇所から離間するにつれて、火花放電間隙３３が拡大していくこととなる。従って、両電極５，２７間で生じる火炎核が成長するためのスペースを十分に確保できるとともに、火炎核の熱が両電極５，２７によって引かれてしまうことをより確実に抑制できる。その結果、火炎核をより大きく成長させることができ、着火性の向上を図ることができる。

また、本実施形態によれば、主に、半球部５Ｂの部位ＣＰ１及び湾曲面部２７Ａの部位ＣＰ２を結ぶようにして火花放電が生じさせることができる。そのため、混合気の噴射により火花が流されたとしても、飛火位置を半球部５Ｂ及び湾曲面部２７Ａの表面に沿って移動させることができる。このため、火花が比較的長期間に亘って切れることなく存在することとなり、火炎核は電極５（２７）からのエネルギーを十分に得ることができる。その結果、火炎核をより一層大きく成長させることができ、着火性の更なる向上を図ることができる。

併せて、電極５（２７）にエネルギーが残存してしまうことを防止できるため、再度の放電が発生してしまうことをより確実に防止できる。これにより、両電極５，２７の消耗量を低減させることができるため、特に本実施形態のように貴金属チップを設けない場合において懸念される、耐消耗性の低下という事態をより確実に抑制することができる。

加えて、０．５Ｄ_P≦Ｒ_H≦Ｄ_P、及び、０．５Ｗ_G≦Ｒ_C≦Ｗ_Gを満たすようにして構成することで、半球部５Ｂや湾曲面部２７Ａが略平坦状に形成されてしまうことや、半球部５Ｂの体積減少に伴う耐消耗性の低下等を一挙に防止することができる。

さらに、接地電極２７の幅Ｗ_Gが、柱状部５Ａ先端の直径Ｄ_P以下と比較的小さくされている。従って、火炎核の成長が接地電極２７により妨げられてしまうことをより一層抑制することができ、着火性の一層の向上を図ることができる。一方で、接地電極２７の幅Ｗ_Gを小さくすることで、接地電極２７の機械的強度の低下が懸念されるが、接地電極２７は、少なくとも柱状部５Ａ先端の半径（Ｄ_P／２）以上の幅を有している。そのため、接地電極２７の機械的強度を十分に維持することができる。

また、本実施形態では、接地電極２７の背面部分が、接地電極２７の中心軸ＣＬ２側に向けて幅広となるように形成されている。従って、燃料噴射装置と火花放電間隙３３との間に接地電極２７が位置するようにして、スパークプラグ１が取付けられた場合であっても、噴射された燃料を含む混合気は、接地電極２７を回り込んで火花放電間隙３３へと比較的スムーズに流入することとなる。このため、着火性のより一層の向上を図ることができる。

次いで、本実施形態によって奏される作用効果を確認すべく、着火性評価試験を行った。着火性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、中心電極の先端部を、平坦状又は曲率半径の種々異なる半球状に形成するとともに、接地電極のうち中心電極に対向する部位を、平坦状又は曲率半径の種々異なる湾曲面状に形成した複数のスパークプラグのサンプルを作製し、各サンプルを排気量２０００ｃｃ、直列４気筒エンジンに組付けた。そして、点火時期を上死点前７０°とした上で、エンジンをアイドリング状態（＝２０００ｒｐｍ）で動作させつつ、空燃比を徐々に減少させながら、放電１０００回中に１０回の異常放電（失火）が発生したときの空燃比（限界空燃比）を測定した。尚、限界空燃比が高いサンプルほど、燃料が希薄な状態でも正常に着火する、すなわち着火性に優れるスパークプラグであるといえる。また、中心電極の先端部を半球状に形成した場合において、当該半球部分の曲率半径Ｒ_Hは、柱状部の幅をＤ_Pとしたとき、Ｒ_H＝０．５Ｄ_P、Ｒ_H＝０．７５Ｄ_P、又は、Ｒ_H＝１．０Ｄ_Pとなるように設定した。加えて、接地電極を湾曲面状に形成した場合において、当該湾曲面部分の曲率半径Ｒ_Cは、接地電極の幅をＷ_Gとしたとき、Ｒ_C＝０．５Ｗ_G、Ｒ_C＝０．７５Ｗ_G、又は、Ｒ_C＝１．０Ｗ_Gとなるように設定した。図５に、評価試験の結果を示す。尚、同図においては、半球部の曲率半径Ｒ_Hを０．５Ｄ_Pとした上で、接地電極の形状等を種々変更したサンプルの試験結果を黒丸でプロットし、半球部の曲率半径Ｒ_Hを０．７５Ｄ_Pとした上で、接地電極の形状等を種々変更したサンプルの試験結果を黒四角でプロットした。また、半球部の曲率半径Ｒ_Hを１．０Ｄ_Pとした上で、接地電極の形状等を種々変更したサンプルの試験結果を黒三角でプロットし、中心電極先端部を平坦状に形成した上で、接地電極の形状等を種々変更したサンプルの試験結果をバツ印でプロットした。

併せて、表１に、評価試験の結果に基づく各サンプルの評価を示す。尚、同表における評価は、中心電極の先端部に細径化されたイリジウム（Ｉｒ）合金チップを設けた、着火性に優れるスパークプラグ（「基準プラグ」と称す）について上記着火性評価試験を行ったときの限界空燃比（２１．２３）を基準として行った。すなわち、限界空燃比が２２．０以上となったサンプルは、基準プラグよりも遥かに優れた着火性を実現できたとして「☆」の評価を下し、限界空燃比が２１．５以上のサンプルは、基準プラグよりも優れた着火性を実現できたとして「◎」の評価を下し、さらに、限界空燃比が２１．０以上のサンプルは、基準プラグと同程度の優れた着火性を実現できたとして「○」の評価を下した。一方で、限界空燃比が２１．０未満となり、基準プラグよりも着火性の劣ったサンプルは、着火性が不十分であるとして「×」の評価を下した。

図５及び表１に示すように、中心電極先端部を半球状に形成するとともに、当該半球部の曲率半径Ｒ_Hを０．５Ｄ_P〜１．０Ｄ_Pとし、かつ、接地電極のうち中心電極と対向する部位を湾曲面状に形成するとともに、当該湾曲面部の曲率半径Ｒ_Cを０．５Ｗ_G〜１．０Ｗ_Gとしたサンプルは、着火性に優れる基準プラグと同程度以上の着火性を実現できることが明らかとなった。これは、このような曲率半径を有する半球部及び湾曲面部を設けたことで、混合気の噴射により火花が流されたとしても、飛火位置が火花の移動に従って移動したため、火花が比較的長期間に亘って切れることなく存在し、火炎核が電極からのエネルギーを十分に得ることができたことや、火炎核の熱が両電極によって引かれてしまうことをより確実に抑制できたこと等に起因すると考えられる。

さらに、半球部の曲率半径Ｒ_Hを０．７５Ｄ_P以下とし、かつ、湾曲面部の曲率半径Ｒ_Cを０．７５Ｗ_G以下としたサンプルは、貴金属チップが設けられていないにも関わらず、限界空燃比が２１．５以上となり、Ｉｒ合金チップを設けた基準プラグよりも優れた着火性を実現できることが明らかとなった。また特に、半球部の曲率半径Ｒ_Hを０．５Ｄ_Pとし、かつ、湾曲面部の曲率半径Ｒ_Cを０．５Ｗ_Gとしたサンプルは、限界空燃比が２２．０以上となり、極めて優れた着火性を有することがわかった。

次に、接地電極の背面形状を種々変更したスパークプラグのサンプルを作製した上で、各サンプルについて、燃料噴射口及び火花放電間隙の間に接地電極が位置する場合と、燃料噴射口及び火花放電間隙の間に接地電極が位置しない場合とで上述の着火性評価試験を行い、両ケースにおける限界空燃比をそれぞれ測定した。そして、燃料噴射口及び火花放電間隙の間に接地電極が位置していなかった場合の限界空燃比に対する、燃料噴射口及び火花放電間隙の間に接地電極が位置していた場合の限界空燃比の低下量（空燃比低下量）を算出した。図６に、各サンプルにおける空燃比低下量を示す。尚、サンプル１は、接地電極の背面を平坦状に形成したものであり、サンプル２は、接地電極の背面を中心電極とは離間する側へと膨出する湾曲状に形成したものである。また、サンプル３は、接地電極の背面の幅方向端縁部に面取り加工を施したものであり、サンプル４は、接地電極の背面を中心電極とは離間する側へと突出する山形状に形成したものである。

図６に示すように、サンプル１と比較して、サンプル２，３，４は、限界空燃比の低下を抑制できることが明らかとなった。これは、接地電極の背面部分を、その中心軸側に向けて幅広となるように形成したことで、混合気が接地電極を回り込んで火花放電間隙へと比較的スムーズに流入しやすくなったことによると考えられる。

以上、各評価試験の結果を総合的に勘案すると、中心電極の先端部に、曲率半径を柱状部先端の直径の０．５倍以上１．０倍以下とした半球部を設けるとともに、接地電極のうち中心電極と対向する部位に、曲率半径を接地電極の幅の０．５倍以上１．０倍以下とした湾曲面部を設けることが、優れた着火性を実現する上で有意であるといえる。また、着火性の更なる向上を図るという観点から、半球部や湾曲面部の曲率半径を、柱状部先端の直径や接地電極の幅の０．７５倍以下（より好ましくは、０．５倍）とすることが、より好ましいといえる。

さらに、着火性の一層向上を図るべく、接地電極の背面部分を、接地電極の中心軸側に向けて幅広となるように構成することが好ましく、特に、接地電極の背面部分を湾曲状や面取り形状に形成することがより好ましいといえる。

尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。

（ａ）上記実施形態においては、接地電極２７の背面部分全域が湾曲状に形成されており、ひいては接地電極２７の背面部分全域が接地電極２７の中心軸ＣＬ２側に向けて幅広となるように形成されているが、接地電極２７の背面形状はこれに限定されるものではない。従って、例えば、接地電極２７の背面部分のうち、少なくとも軸線ＣＬ１と直交する方向に沿って火花放電間隙３３に対応する部分ＴＰ（図２参照）を、接地電極２７の中心軸ＣＬ２側に向けて幅広となるように形成することとしてもよい。また、図７に示すように、接地電極２７の背面を平坦状に形成し、接地電極２７の背面部分が、接地電極２７の中心軸ＣＬ２側に向けて略等しい幅となるように形成することとしてもよい。

（ｂ）上記実施形態では、接地電極２７のうち中心電極５側の部位全域に、湾曲面部２７Ａが形成されているが、接地電極２７のうち少なくとも中心電極５の先端部に対向する部位に湾曲面部２７Ａが形成されていればよい。但し、この場合には、接地電極２７のうち、湾曲面部２７Ａとその他の部位との連接部分に急峻なエッジ部分が形成されないようにすることが好ましい。

（ｃ）上記実施形態では、主体金具３の先端部２６に、接地電極２７が接合される場合について具体化しているが、主体金具の一部（又は、主体金具に予め溶接してある先端金具の一部）を削り出すようにして接地電極を形成する場合についても適用可能である（例えば、特開２００６−２３６９０６号公報等）。

（ｄ）上記実施形態では、工具係合部１９は断面六角形状とされているが、工具係合部１９の形状に関しては、このような形状に限定されるものではない。例えば、Ｂｉ−ＨＥＸ（変形１２角）形状〔ＩＳＯ２２９７７：２００５（Ｅ）〕等とされていてもよい。

１…スパークプラグ（内燃機関用スパークプラグ）
２…絶縁碍子（絶縁体）
３…主体金具
４…軸孔
５…中心電極
５Ａ…柱状部
５Ｂ…半球部
２７…接地電極
２７Ａ…湾曲面部
３３…火花放電間隙（間隙）
ＣＬ１…軸線
ＣＬ２…接地電極の中心軸

Claims (4)

1. 軸線方向に延びる棒状の中心電極と、
   前記軸線方向に延びる軸孔を有するとともに、前記中心電極を前記軸孔の先端側に備えた筒状の絶縁体と、
   前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
   前記主体金具の先端部から延び、自身の先端部が前記中心電極の先端部との間で間隙を形成する接地電極とを備えた内燃機関用スパークプラグであって、
   前記中心電極は、
   自身の後端側から先端側へと延びる円柱状の柱状部と、
   前記柱状部の先端から前記接地電極の先端部側へと突出する半球状の半球部とを有するとともに、
   前記接地電極は、
   少なくとも前記中心電極に対向する部位に、前記中心電極側へと突出する湾曲状の湾曲面部を有し、
   前記柱状部の先端の直径をＤ_Pとし、前記半球部の曲率半径をＲ_Hとし、前記接地電極の幅をＷ_Gとし、前記接地電極の中心軸と直交する断面における前記湾曲面部の曲率半径をＲ_Cとしたとき、次の式（１）及び（２）を満たすことを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
   ０．５Ｄ_P≦Ｒ_H≦Ｄ_P…（１）
   ０．５Ｗ_G≦Ｒ_C≦Ｗ_G…（２）
2. ０．５Ｄ_P≦Ｗ_G≦Ｄ_P
   を満たす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。
3. 前記半球部のうちの前記接地電極側へと最も突出する部位と、前記湾曲面部のうちの前記中心電極側へと最も突出する部位とが前記軸線上に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用スパークプラグ。
4. 前記接地電極のうち、前記中心電極側に位置する部位の背面部分であって、少なくとも前記軸線と直交する方向に沿って前記間隙に対応する部分を、前記接地電極の中心軸側に向けて幅広となる形状としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。

Images