JP2013251193A - Spark plug for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、過給手段を備えた内燃機関において高着火性と火花放電による消耗抑制とを両立する内燃機関用スパークプラグに関する。 The present invention relates to a spark plug for an internal combustion engine that achieves both high ignitability and suppression of consumption by spark discharge in an internal combustion engine provided with supercharging means.
従来、中心電極や接地電極に関する種々の要素の寸法を規定し、着火性や耐久性の向上を目的としたスパークプラグが知られている。例えば、特許文献1には、接地電極放電部の径を0.8mm以下、接地電極放電部の径を中心電極放電部の径で割った比率が1.4以上、及び接地電極放電部の接地電極表面からの突出長さを0.5mm以上1.2mm以下とすることにより、より高い着火性と耐久性を得ることを目的としたスパークプラグが示されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, spark plugs that define the dimensions of various elements related to a center electrode and a ground electrode and are intended to improve ignitability and durability are known. For example, in
また、従来、スパークプラグの接地電極放電部の径は、発生した火花がこの放電部によって熱量を吸収され、その火炎核が消されてしまう消炎作用が発生する可能性があるため、小寸法であることが求められてきた。 Conventionally, the diameter of the discharge part of the ground electrode of the spark plug has a small size because the generated spark may absorb the amount of heat by the discharge part and the flame extinguishing action may be generated. There has been a need to be.
ところで、近年、排ガス規制等によって、車両の燃費向上が望まれていることから、この要望に応えるべく、高過給の内燃機関が用いられている。このような内燃機関において用いられるスパークプラグは、燃焼室内において高流速環境下に置かれる。即ち、内燃機関の吸気管等に設けられた過給手段によって圧縮された空気と燃料とが混合された混合気が、通常の内燃機関よりも高圧状態で内燃機関の燃焼室に流入するとともに、燃焼室内に突出したスパークプラグの接地電極放電部と中心電極放電部の間の空間(放電ギャップ)を通常の内燃機関よりも早い速度で流れる。このような高流速環境下において、スパークプラグの放電ギャップに高電圧を印加することで発生する放電電流の軌跡である放電電流軌跡は高流速の混合気によって吹き流され易い。 By the way, in recent years, there has been a demand for improvement in fuel efficiency of vehicles due to exhaust gas regulations and the like, and a high supercharged internal combustion engine is used to meet this demand. The spark plug used in such an internal combustion engine is placed in a high flow velocity environment in the combustion chamber. That is, an air-fuel mixture in which air compressed by supercharging means provided in an intake pipe of an internal combustion engine and the like is mixed flows into a combustion chamber of the internal combustion engine in a higher pressure state than a normal internal combustion engine, The spark plug protrudes into the combustion chamber and flows in a space (discharge gap) between the ground electrode discharge portion and the center electrode discharge portion at a speed higher than that of a normal internal combustion engine. Under such a high flow velocity environment, the discharge current locus, which is the locus of the discharge current generated by applying a high voltage to the discharge gap of the spark plug, is easily blown by the high flow velocity mixture.
過給手段を備えた内燃機関の高流速環境下にスパークプラグが置かれた場合、接地電極放電部と中心電極放電部との放電ギャップ間に発生する放電電流軌跡が流速の早い混合気によって吹き流され、放電が途切れる現象(以下、吹き消え現象と記す)を生じる可能性がある。特に、接地電極放電部の径が小さく、過給手段を備えた内燃機関ではこの現象が生じ易い。そして、吹き消え現象の発生により、燃焼が不安定になったり、吹き消え現象が生じた後に再度放電することで放電回数が増加し、その分、接地電極放電部の温度が高くなることで接地電極放電部の消耗が加速されるおそれがある。 When a spark plug is placed in a high flow rate environment of an internal combustion engine equipped with a supercharging means, the discharge current locus generated between the discharge gap between the ground electrode discharge part and the center electrode discharge part is blown by the mixture having a high flow rate. There is a possibility that a phenomenon in which discharge is interrupted (hereinafter referred to as blow-off phenomenon) is generated. In particular, this phenomenon is likely to occur in an internal combustion engine having a small diameter of the ground electrode discharge portion and provided with supercharging means. Due to the occurrence of blow-off phenomenon, the combustion becomes unstable, or discharge occurs again after the blow-off phenomenon occurs, so that the number of discharges increases, and the temperature of the ground electrode discharge part increases accordingly. There is a possibility that the consumption of the electrode discharge part is accelerated.
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、過給手段を備えた高流速環境を生じる内燃機関における、放電の吹き消え頻度を低減するとともに、接地電極放電部が持つ熱量の外部への放散を促進し、また、接地電極放電部の熱応力による接合強度の低下を抑え、高着火性と耐消耗性を得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である。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to reduce the frequency of discharge blow-off in an internal combustion engine that generates a high flow velocity environment equipped with a supercharging means, and the ground electrode discharge portion By providing a spark plug for an internal combustion engine that promotes dissipating the amount of heat to the outside, suppresses a decrease in bonding strength due to the thermal stress of the ground electrode discharge part, and can obtain high ignitability and wear resistance is there.
上記課題を解決するために、本発明における内燃機関用スパークプラグ(1)は、燃焼室(3)に吸入される吸入空気を過給する過給手段(70)を備えた内燃機関において使用され、接地電極放電部(41)の中心電極放電部(11)と対向する部分の直径をB(mm)、中心電極放電部(11)の接地電極放電部(41)と対向する部分の直径をA(mm)としたときに、0.9(mm)≦B≦1.4(mm)、かつ、B/A≧1.4の関係を満たすことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the spark plug (1) for an internal combustion engine according to the present invention is used in an internal combustion engine provided with a supercharging means (70) for supercharging intake air sucked into a combustion chamber (3). The diameter of the portion of the ground electrode discharge portion (41) facing the center electrode discharge portion (11) is B (mm), and the diameter of the portion of the center electrode discharge portion (11) facing the ground electrode discharge portion (41) is When A (mm), 0.9 (mm) ≦ B ≦ 1.4 (mm) and B / A ≧ 1.4 are satisfied.
本発明によれば、過給手段を備えた内燃機関のスパークプラグ(1)において、吹き消え現象を抑制することができ、また、接地電極放電部(41)が持つ熱量の外部への放散を促進できるとともに、熱応力による接合強度の低下を抑えることができ、その結果、高着火性と耐消耗性を実現することができる。 According to the present invention, in the spark plug (1) of the internal combustion engine provided with the supercharging means, the blow-off phenomenon can be suppressed, and the amount of heat of the ground electrode discharge part (41) can be dissipated to the outside. In addition to being able to promote, it is possible to suppress a decrease in bonding strength due to thermal stress, and as a result, it is possible to achieve high ignitability and wear resistance.
すなわち、本発明者らは、過給手段を備える結果、放電ギャップ(50)における高流速環境下(例えば、流速20m/s以上)においては放電電流軌跡(2)が吹き流されるという現象が発生し、着火が放電部から離れた箇所で発生して、放電部へ熱が伝わりにくいという点に着目した。そして、接地電極放電部(41)の直径Bを、従来の考え方とは異なり、比較的大きく設定するとともに、接地電極放電部(41)の直径Bを中心電極放電部(11)の直径Aよりも所定比率以上大きく設定することによって、吹き流される放電電流軌跡(2)が接地電極放電部端面(42)をその縁端部(43)まで吹き流される方向に移動可能とし、また、中心電極放電部(11)が大きくならず電界集中を維持可能として、吹き消え現象を抑制し、高着火性と耐消耗性を実現することが可能である点を見い出した。 That is, as a result of providing the supercharging means, the inventors have a phenomenon that the discharge current locus (2) is blown in a high flow velocity environment (for example, a flow velocity of 20 m / s or more) in the discharge gap (50). However, attention was paid to the point that ignition occurs at a location away from the discharge part and heat is not easily transmitted to the discharge part. The diameter B of the ground electrode discharge part (41) is set to be relatively large, unlike the conventional way of thinking, and the diameter B of the ground electrode discharge part (41) is set larger than the diameter A of the center electrode discharge part (11). Is set to be larger than a predetermined ratio, so that the discharge current locus (2) to be blown can move in the direction in which the ground electrode discharge part end face (42) is blown to its edge part (43), and the center electrode It has been found that the discharge part (11) can be maintained without increasing the electric field concentration, the blow-off phenomenon can be suppressed, and high ignitability and wear resistance can be realized.
これらの知見を踏まえ、中心電極放電部(11)の直径Aと接地電極放電部(41)の直径Bとの比B/AをB/A≧1.4とするとともに、接地電極放電部(41)の直径Bを0.9(mm)≦Bとすることにより、吹き消え時の再放電頻度を小さくできるとともに、接地電極放電部(41)からの外部への熱の放散を促進でき、放電部の消耗量を低く抑えることが可能となる。また、接地電極放電部(41)の直径Bを、B≦1.4(mm)とすることにより、接地電極放電部(41)の熱応力による亀裂発生確率を小さくし、接地電極放電部(41)の分離等の破損を抑制することが可能となる。 Based on these findings, the ratio B / A of the diameter A of the central electrode discharge part (11) to the diameter B of the ground electrode discharge part (41) is set to B / A ≧ 1.4, and the ground electrode discharge part ( By setting the diameter B of 41) to 0.9 (mm) ≦ B, the frequency of re-discharge at the time of blow-off can be reduced, and the dissipation of heat from the ground electrode discharge part (41) to the outside can be promoted, It is possible to keep the consumption amount of the discharge part low. Further, by setting the diameter B of the ground electrode discharge part (41) to B ≦ 1.4 (mm), the probability of cracking due to thermal stress of the ground electrode discharge part (41) is reduced, and the ground electrode discharge part ( 41) It is possible to suppress breakage such as separation.
なお、特許請求の範囲及び上記手段の項に記載した括弧内の符号は、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ものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。 In addition, the code | symbol in the parenthesis described in the claim and the said means section shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later, and limits the technical scope of this invention. It is not a thing.
以下に、本発明の第1の実施形態である内燃機関用スパークプラグ1について、図1〜図3を用いて説明する。図1に本発明におけるスパークプラグ1の半断面図を示す。スパークプラグ1は、中心電極放電部11を燃焼室に突出する側(以下、先端側と称する)の先端部に設けた中心電極10と、この中心電極10の外周に配設され中心電極10を保持する絶縁碍子30と、絶縁碍子30の外周に配設され絶縁碍子30を保持するハウジング20と、ハウジング20の先端側の端部22から突出し、中心電極放電部11と対向するように曲折させるとともに対向面に接地電極放電部41を有した接地電極40とからなる。なお、このスパークプラグ1は、後述するように、過給手段を備えた内燃機関の燃焼室3に取り付けられる。
Below, the
中心電極10は、先端側と反対の側(以下、基端側と称する)に絶縁碍子30から露出したターミナル部14と、燃焼室側の端部に基端側から先端側に向けて径をすぼめた略円錐台状に形成された中心電極先端部13と、中心電極先端部13の先端側に導体によって略円柱状に形成された中心電極放電部11とを備えている。中心電極10の外周には略円筒状の絶縁碍子30が配設されており、この絶縁碍子30の一部を覆うように金属導体によって形成されたハウジング20が絶縁碍子30の外周に配設される。ハウジング20には螺子部21が設けられており、螺子部21が内燃機関に締結されることでスパークプラグ1が内燃機関に固定される。
The
ハウジング先端側端部22には金属導体によって形成された接地電極40が接合されている。接地電極40はハウジング先端側端部22から突出した腕部を持ち、腕部の一部を中心電極放電部11と対向するように曲折させ、この曲折部から接地電極放電部41が中心電極放電部11と対向するように突出している。
A
図2に中心電極先端部13、中心電極放電部11、接地電極放電部41及び接地電極40によって構成されたスパークプラグ放電部の概略拡大図を示す。中心電極先端部13に配された中心電極放電部11は例えばロジウムなどを添加したイリジウム合金からなり、接地電極40から中心電極10に向けて突出した接地電極放電部41は、例えばロジウムなどを添加した白金合金からなっており、ともに略円柱状に形成されている。
FIG. 2 shows a schematic enlarged view of a spark plug discharge portion constituted by the center
中心電極放電部11と接地電極放電部41は、互いに対向した中心電極放電部端面12と接地電極放電部端面42を有しており、後述するように接地電極放電部41の直径Bは、0.9mm以上1.4mm以下に形成され、中心電極放電部11の直径Aは、接地電極放電部41の直径Bとの関係B/Aが1.4以上の範囲となるように形成されている。
The center
また、接地電極放電部41は接地電極40に溶接されており、接地電極40から中心電極10の軸方向に長さLだけ突き出しており、長さLは後述するように0.5mm以上1.2mm以下の範囲が好ましい。溶接は例えばアーク溶接等によって行われ、略円柱状である接地電極放電部41の接地電極側の外周に行われる。
The ground
図3に過給手段として排気タービン式過給機70を備えた内燃機関を示す。排気タービン式過給機70は排気側と吸気側にそれぞれタービンを有し、両タービンが構造的に連結している。以下、排気タービン式過給機70による過給の方法を説明する。
FIG. 3 shows an internal combustion engine provided with an exhaust turbine supercharger 70 as supercharging means. The exhaust turbine supercharger 70 has turbines on the exhaust side and the intake side, respectively, and both turbines are structurally connected. Hereinafter, a method of supercharging by the
排気タービン式過給機70は排気側に動力を受け取る排気側タービン71と、動力を受けて吸気を圧縮する遠心式圧縮機の機能を持つ吸気側タービン72とからなる。内燃機関によって燃焼した混合気63は燃焼室3から排気62として放出される。排気側タービン71は排気62から運動エネルギーと熱エネルギーを一部受け取り、該エネルギーを用いて高速回転する。排気側タービン71に連結された吸気側タービン72は、排気側タービン71の高速回転に伴って回転し、この回転力によって、吸気側タービン72が吸気60を過給し、圧縮された過給後吸気61は燃焼室3へ吸入される。
The
上記方法で過給された過給後吸気61は、燃料と混合することで混合気63となる。この混合気63は燃焼室3内に自然吸気(NA)を用いた内燃機関における混合気63の圧力より高圧で流入され、燃焼室3内に突出したスパークプラグ1の中心電極放電部11と接地電極放電部41との間の放電ギャップ50間を流動する。過給手段を有しない内燃機関における放電ギャップ50を流れる混合気63の流速は平均流速10m/s(メートル/秒)より小さくなるのに対して、過給手段を備えた内燃機関の混合気63の流速は平均流速20m/sから40m/sの範囲となる。なお、本発明において高流速環境とは、例えば上述した過給手段を用いることにより、過給手段を用いない自然吸気エンジンなどの内燃機関における混合気63の流速以上の流速を生じる環境をさす。
The
また、過給手段は上述した排気タービン式過給機70に限定されるものではなく、例えば機械式過給機などの内燃機関の動力や電動機を利用して燃焼室に強制的に空気を送り込む機構、もしくは吸気管の形状、構造等によって走行により得る空気の圧力を利用して過給する方法などによる過給手段でもよい。
Further, the supercharging means is not limited to the above-described
高流速環境と、該環境より混合気が低い速度で流動する低流速環境におけるスパークプラグ放電部の様子を、図4を用いて説明する。図4の(A)は低流速環境の放電部の放電の様子を示し、同図(B)は高流速環境の放電部における放電の様子を示しており、この(B)は吹き流され現象が発生したときの様子を示している。 The state of the spark plug discharge part in the high flow velocity environment and the low flow velocity environment in which the air-fuel mixture flows at a lower speed than the environment will be described with reference to FIG. 4A shows the state of discharge in the discharge part in the low flow velocity environment, and FIG. 4B shows the state of discharge in the discharge part in the high flow rate environment, and this (B) is blown away. It shows the situation when the occurrence of.
中心電極放電部11と接地電極放電部41との間の放電は対向する中心電極放電部端面12と接地電極放電部端面42において発生する。すなわち、スパークプラグ1に印加された高電圧が放電ギャップ50において絶縁破壊を引き起こし、該状態において電流が流れることによって放電が開始され、その経路が放電電流軌跡2として現出する。この放電によって混合気が引火し、火炎核が生成される。そして、生成された火炎核が拡大するにつれて接地電極放電部41にまで達し、該放電部は火炎核によって生成された熱量を吸収する。すなわち、接地電極放電部41による冷却効果が発生する。その結果、火炎核が放電ギャップ50内で熱量を奪われて消える現象、すなわち消炎作用が発生することがある。
Discharge between the center
図4(A)のような、混合気63の流速が低流速環境下にある放電では放電ギャップ50において火炎核が形成されるため、接地電極放電部41の直径を大きくすることにより電極による冷却効果が増し、消炎作用が働くことで着火が不安定になるおそれがある。そのため、一般に接地電極放電部41は径を小さくとることで消炎作用を抑制しようとする傾向があった。
In the discharge in which the flow rate of the air-
上述した内容と比較し、図4(B)に示すように高流速環境下の放電では、放電ギャップ50を流動する混合気63の流れによって対向面において生成された放電電流軌跡2が混合気の流動方向80に流される。このとき、接地電極放電部41における放電電流軌跡2の末端は接地電極放電部端面42を移動し、縁端部43にまで達するとともに放電電流軌跡2が略円弧を描くように放電ギャップ50より外側にまで到達する。すなわち、放電電流軌跡2が混合気63の速い流動によって吹き流される。吹き流された放電によって混合気63が引火し、放電ギャップ50内よりも放電部径方向外側において火炎核が形成される。
Compared with the contents described above, in the discharge under a high flow velocity environment as shown in FIG. 4B, the discharge
また、放電電流軌跡2が吹き流され放電が途切れた場合、吹き消え現象が発生し、このとき、放電ギャップ間においてスパークプラグ1に印加された高電圧の吹き消えによって損なわれたエネルギーの残余分によって再放電が開始される。従って、火炎核が吹き流される場合、または吹き消え現象が発生した場合、放電ギャップ外において火炎核が形成されることから冷却効果の影響が少なくなり、接地電極放電部41は径を大きくとっても着火性への影響が少なくなる。
Further, when the discharge
以下、本発明の構成を着想し、その作用効果を確認するために行った実験及びその結果について説明する。 Hereinafter, an experiment conducted in order to conceive the configuration of the present invention and confirm the effects thereof and the result thereof will be described.
図5は、スパークプラグにおける吹き消え時の再放電頻度と、中心電極放電部11の直径A及び接地電極放電部41の直径Bの比B/Aとの関係を、放電ギャップにおける混合気63の流速をパラメータとして評価した可視化火花放電ベンチ試験の結果を示す。すなわち、スパークプラグ1の放電ギャップ50における混合気63の流速及び接地電極放電部41の直径Bを変化させたときの1スパーク当たりの再放電回数と比B/Aとの関係性についての試験を行ったものである。
FIG. 5 shows the relationship between the re-discharge frequency at the time of blow-off in the spark plug and the ratio B / A of the diameter A of the center
使用したスパークプラグにおける中心電極放電部11は、中心電極先端部13からの突出長さが0.8mm、中心電極放電部11の直径Aが0.55mm、0.7mm、1.0mmであるもの各種を用意し、接地電極放電部41は、接地電極40からの突き出し長さLが0.8mm、接地電極放電部41の直径Bが0.55mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.4mmであるもの各種を用意した。
The center
上記スパークプラグを、混合気63の流動速度を変化させることが可能であり火花放電の様子を可視化することができる可視化高流動火花放電ベンチにて、流速毎に比B/Aの組み合わせを変えることで再放電回数を調査した。
In the above-described spark plug, the flow rate of the air-
図5によると、流速が5m/sの環境では再放電をすることなく、安定して放電していることがわかる。しかし、流速が10m/s以上になると再放電を起こす現象が見受けられ、この現象は流速が高流速になるほど顕著化するとともに再放電頻度は上昇している。 According to FIG. 5, it can be seen that the discharge is stably performed without re-discharge in an environment where the flow velocity is 5 m / s. However, when the flow rate is 10 m / s or more, a phenomenon that causes re-discharge is observed. This phenomenon becomes more noticeable and the re-discharge frequency increases as the flow rate becomes higher.
また、B/Aが小さい場合、再放電頻度が高いことに対して、B/Aを大きくとることによって再放電頻度が減少し、再放電が抑制されていることも分かる。中でも、B/Aが1.4より大きい場合に同じ流速における実験値の近似線の傾きが小さくなり、再放電頻度が抑制されている。 It can also be seen that when B / A is small, the re-discharge frequency is high, whereas when B / A is large, the re-discharge frequency is reduced and re-discharge is suppressed. In particular, when B / A is larger than 1.4, the slope of the approximate line of the experimental value at the same flow rate becomes small, and the re-discharge frequency is suppressed.
ここで、B/Aが1.4より小さい範囲における再放電頻度の近似的な減少傾きをC、1.4より大きい範囲における再放電頻度の近似的な減少傾きをDとしたときの、放電ギャップ50の流速と、その流速における吹き消え抑制の程度を示す吹き消え抑制効果C/Dとの関係について図6に示す。
Here, the discharge when the approximate decrease slope of the redischarge frequency in the range where B / A is less than 1.4 is C, and the approximate decrease slope of the redischarge frequency in the range where 1.4 is greater than 1.4 is D. FIG. 6 shows the relationship between the flow rate of the
この図6から、流速が大きくなるほどその流速における吹き消え抑制効果C/Dは増し、流速15m/s以上でC/Dが大きく増大している。すなわち、流速が15m/s以上においては顕著な吹き消え抑制効果があり、20m/s以上においてはさらに大きな抑制効果が得られることを示している。 From FIG. 6, as the flow velocity increases, the blowout suppression effect C / D at the flow velocity increases, and the C / D increases greatly at a flow velocity of 15 m / s or more. That is, when the flow velocity is 15 m / s or more, there is a remarkable blow-off suppressing effect, and when the flow velocity is 20 m / s or more, it shows that a larger suppressing effect is obtained.
これは、B/Aが1.4以上であるように中心電極放電部11の直径Aよりも接地電極放電部41の直径Bを大きくすることで、中心電極放電部11に印加された高電圧の電界集中が比較的大きく維持され、加えて接地電極放電部41において放電を受ける表面積が比較的大きくなるため、混合気63の流動によって放電が流されても吹き消え現象が起こりにくくなるからである。吹き消え現象が抑えられることで、再放電による接地電極放電部41の温度上昇が抑制され、これに起因した接地電極放電部41の消耗を抑えることが可能になる。
This is because the diameter B of the ground
次に、放電ギャップ50の流速を変化させた状態での接地電極放電部41の直径Bについて有効な範囲を検証するべく、中心電極先端部13からの突き出し長さが0.8mm、直径が0.7mmの中心電極放電部11と、腕部からの突き出し長さLが0.8mm、直径が0.7mmから1.6mmの範囲内において用意した接地電極放電部41とを備えた各種スパークプラグを、6気筒、排気量2000ccのガソリンエンジンに取り付け、エンジン回転数600rpmのアイドリング状態においてエンジン耐久試験を行ない、リーン限界A/Fを調べた。
Next, in order to verify an effective range for the diameter B of the ground
図7は、流速毎におけるリーン限界A/Fと接地電極放電部41の直径Bとの関係を示す特性図である。リーン限界A/Fとは、失火せずに燃焼が成立するような燃焼変動率PmiCOV(平均有効圧の分散/平均値。本実験では15%としている。)を満足するための最も燃料が薄いA/F(空気と燃料の混合比)のことである。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the lean limit A / F and the diameter B of the ground
すなわち、このリーン限界A/Fが大きいほど少ない燃料で燃焼を可能とする。この図7から、流速が0m/sである場合、接地電極放電部41の直径Bを大きくとるほどリーン限界A/Fの値が下がっており、流速が大きい場合、特に流速が20m/sである場合は接地電極放電部41の直径Bを大きくとってもリーン限界の値が緩やかに減少するにとどまっており、変動が少ないことがわかる。すなわち、高流速環境下においては、接地電極放電部41の直径Bは比較的大きくとってもリーン限界A/Fは減衰しにくいことがわかる。これは高流速環境下においては吹き流されることによって火炎核が放電ギャップ50間の外側において生成されやすく、接地電極放電部41によって火炎核の熱量が吸収されにくいことから接地電極放電部41の直径Bを大きくとることによる消炎作用の影響は小さく、着火性の悪化がないからである。
That is, as the lean limit A / F is larger, combustion is possible with less fuel. From FIG. 7, when the flow velocity is 0 m / s, the value of the lean limit A / F decreases as the diameter B of the ground
また、高流速環境下において着火性の観点から接地電極放電部41の直径Bを比較的大きくとることが可能である一方で、接地電極放電部41の直径Bは、接地電極放電部41の消耗体積及び接合強度の観点から最適な範囲があることを見い出した。次にその消耗体積及び接合強度の観点から接地電極放電部41の評価をした試験結果を図8〜図10に示す。
In addition, the diameter B of the ground
図8は、接地電極放電部41の耐消耗性について評価をすべく、排気量2000ccの6気筒ガソリンエンジンにおいて、過給手段を備えたエンジンと、過給手段を搭載しない自然吸気(N/A)エンジンを用意し、中心電極放電部11の直径Aと接地電極放電部41の直径Bとの比率B/Aが1.5となるような各種スパークプラグを取り付けて、5600rpm−WOT(ワイドオープンスロットル)にて200時間連続稼動させるエンジン耐久試験を行い、接地電極放電部41の消耗体積を測定したものである。なお、rpm−WOTとは、スロットル全開状態での回転数を示す単位である。
FIG. 8 shows an evaluation of the wear resistance of the ground
また、各種スパークプラグの具体的な寸法は、中心電極放電部11と接地電極放電部41の直径A、Bがそれぞれ、0.4mmと0.6mm、0.6mmと0.9mm、0.8mmと1.2mmであり、B/Aは各々1.5である。
The specific dimensions of the various spark plugs are such that the diameters A and B of the center
図8において、自然吸気エンジンでは接地電極放電部41の直径Bに依存することなく接地電極放電部41の消耗体積にほとんど変化はないが、過給手段を備えたエンジンでは接地電極放電部41の直径Bが小さくなるにつれて消耗体積が増加しており、0.9mm以下において急増していることが分かる。言い換えれば、接地電極放電部41の直径Bが0.9mm以上において消耗体積が小さく安定していることが分かる。
In FIG. 8, in the naturally aspirated engine, the consumption volume of the ground
これは、接地電極放電部41が火炎核または燃焼から吸収して得た熱量を混合気63に放散するために一定以上の表面積を持つことが有効であることを示している。自然吸気エンジンにおける放電ギャップ50内で火炎核が形成されて接地電極放電部41が熱量吸収及びその放散を行うこととは異なり、放電ギャップ50外で火炎核が形成される過給エンジンである場合において、放散を行い易いように接地電極放電部41を大きくとることは、着火性を犠牲にせずに消耗体積の減少を図ることができるという有用性がある。
This indicates that it is effective to have a certain surface area or more in order for the ground
また、図9(A)、(B)に示すように、自然吸気エンジンと過給手段を備えたエンジンにおいて、比較例として用いた従来のスパークプラグと本発明のスパークプラグとの電極消耗を比較評価するべく、図8の試験と同条件のエンジン耐久試験(排気量2000ccの6気筒ガソリンエンジン、5600rpm−WOT、200時間)を行なった。すなわち、従来のスパークプラグと本発明のスパークプラグ1とを自然吸気エンジンと過給手段を備えたエンジンにそれぞれ取り付けて消耗体積を測定した。自然吸気エンジンの試験結果を図9(A)に、過給手段を備えたエンジンの試験結果を図9(B)に示す。なお、図9において、斜線部分が接地電極放電部41の消耗体積、また、斜線のない部分が中心電極放電部11の消耗体積である。
Further, as shown in FIGS. 9A and 9B, in a naturally aspirated engine and an engine equipped with a supercharging means, the electrode consumption of the conventional spark plug used as a comparative example and the spark plug of the present invention are compared. In order to evaluate, an engine durability test (a 6-cylinder gasoline engine with a displacement of 2000 cc, 5600 rpm-WOT, 200 hours) under the same conditions as the test of FIG. 8 was performed. That is, the conventional spark plug and the
図9において、比較例として用いたスパークプラグは、中心電極放電部11の直径Aが0.55mm、突き出し長さが0.8mmのイリジウムを主成分とした合金からなる中心電極放電部11と、接地電極放電部41の直径Bが0.7mm、突き出し長さLが0.8mmの白金を主成分とした合金からなる接地電極放電部41を備えたスパークプラグであり、本実施例として用いたスパークプラグは中心電極放電部11の直径Aが0.7mm、突き出し長さが0.8mmのイリジウムを主成分とした合金からなる中心電極放電部11と、接地電極放電部41の直径Bが1.0mm、突き出し長さLが0.8mmの白金を主成分とした合金からなる接地電極放電部41を備えたスパークプラグである。
In FIG. 9, the spark plug used as a comparative example has a center
図9(A)のように、自然吸気エンジンにおいて接地電極放電部41及び中心電極放電部11は、比較例と本実施例の間で消耗体積にほとんど差異は見受けられないものの、図9(B)のように、過給エンジンにおいては接地電極放電部41の消耗体積は、比較例より本実施例においてかなり抑制されていることが分かる。これは上述したとおり、火炎核から熱を吸収しにくく、接地電極放電部41が持つ熱の放散を行い易いように接地電極放電部41を大きくとることが有効であるとともに、過給手段を備えたエンジンに取り付けられた比較例のスパークプラグにおいては吹き消え現象の発生によって再放電が行われ易く、接地電極放電部41が高温となることで接地電極放電部41の体積消耗が促進される一方、実施例のスパークプラグでは再放電が抑制され、温度が上昇しにくいからである。
As shown in FIG. 9A, in the naturally aspirated engine, the ground
次に、接地電極放電部41と接地電極40との接合強度についての評価を行うべく、接地電極放電部41の直径Bが1.0mmから1.8mmまでの接地電極放電部41が溶接された接地電極40を用意し、エンジン内の熱ストレスを模擬的に再現した冷熱サイクル試験を実施した。評価条件として150℃と900℃の温度条件において接地電極40を各6分間ずつさらし、これを200サイクル繰り返すものであり、各サンプル数は10とした。図10に接地電極放電部41の直径Bと発生した熱応力の関係を示し、以下に評価の結果である表1を示す。
Next, in order to evaluate the bonding strength between the ground
接地電極放電部41が接地電極40から分離して破損する理由として、熱応力の影響が考えられる。すなわち、低温状態と高温状態に繰り返し置かれることで接地電極放電部41と接地電極40との溶融部界面に熱応力が発生し、この熱応力が溶融部界面の亀裂発生応力を上回るために亀裂が発生する。一旦発生した亀裂は、酸素が進入し一気に亀裂が進展するため接合強度が大幅に低下すると考えられ、この接合強度の低下により接地電極放電部41が接地電極40から分離する可能性がある。本発明のスパークプラグ1ではこれを回避することで、信頼性が向上している。
As a reason why the ground
次に接地電極放電部41の最適な突き出し長さを調査すべく、接地電極放電部41の突出長さL(mm)と各要素についての試験を行った。その結果を図11及び図12に示す。
Next, in order to investigate the optimal protrusion length of the ground
図11は中心電極放電部11の直径Aが0.7mm、突き出し長さが0.8mmであるスパークプラグにおいて、接地電極放電部41の直径Bを1.0mmとし、突き出し長さLを0.5mm、1.0mm、1.2mm、1.5mmと変化させたものを用意し、図8の試験と同じ条件のエンジン耐久試験(排気量2000ccの6気筒ガソリンエンジン、5600rpm−WOT、200時間)によってギャップ拡大比を調べたものである。なお、ギャップ拡大比とは試験後の放電ギャップ50間距離を当初の放電ギャップ間距離で割った比率である。
FIG. 11 shows a spark plug in which the diameter A of the central
図11に示されるように、突き出し長さLが大きくなるにつれてギャップが拡大しているのが分かる。さらに、突出長さLが1.2mm以上においてはギャップ拡大比が大幅に上昇している。これは突き出し長さLを大きくとることで燃焼によって接地電極放電部41の温度が上昇し、体積消耗が大きくなるからである。ギャップが拡大することで必要な放電電圧が上昇し、正常な距離において必要な放電電圧では正常に放電できず、着火性に問題が生じるおそれがある。従って、温度上昇を抑え耐消耗性を確保するとともに着火性の悪化を防止するために突出長さは1.2mm以下が望ましい。
As shown in FIG. 11, it can be seen that the gap increases as the protrusion length L increases. Furthermore, when the protrusion length L is 1.2 mm or more, the gap expansion ratio is significantly increased. This is because by increasing the protrusion length L, the temperature of the ground
図12は中心電極放電部11の直径Aが0.7mm、突き出し長さが0.8mmであるスパークプラグにおいて、接地電極放電部41の直径Bを1.0mmとし、突き出し長さLを0.3mm、0.5mm、0.8mm、1.2mmと変化させたものを用意し、図8の試験と同じ条件のエンジン耐久試験(排気量2000ccの6気筒ガソリンエンジン、5600rpm−WOT、200時間)によってリーン限界A/Fを調べたものである。
FIG. 12 shows a spark plug in which the diameter A of the central
図12によれば、接地電極放電部41の突き出し長さLを大きくすることでリーン限界A/Fが上昇するが、0.5mm以下においては顕著に下降している。これは接地電極放電部41の突き出し長さLを小さくとることで接地電極放電部41に加えて接地電極40による消炎作用も働くからであり、リーン限界が大幅に低下することで着火性の悪化が生じるおそれがある。
According to FIG. 12, the lean limit A / F increases by increasing the protruding length L of the ground
従って、突出長さLは0.5mm以上が望ましく、図11の結果から併せると0.5mm以上1.2mm以下が望ましいことが分かる。この場合、着火性の悪化を抑えながらも耐消耗性も良好な接地電極放電部41が提供できる。
Therefore, the protrusion length L is preferably 0.5 mm or more, and it is understood from the results of FIG. 11 that 0.5 mm or more and 1.2 mm or less is desirable. In this case, it is possible to provide the ground
1 スパークプラグ、2 放電電流軌跡、3 燃焼室、10 中心電極、11 中心電極放電部、12 中心電極放電部端面、13 中心電極先端部、14 ターミナル部、20 ハウジング、21 螺子部、22 ハウジング先端側の端部、30 絶縁碍子、40 接地電極、41 接地電極放電部、42 接地電極放電部端面、43 縁端部、50 放電ギャップ、60 吸気、61 過給後吸気、62 排気、63 混合気、70 排気タービン式過給機、80 混合気の流動方向、A 中心電極放電部の直径、B 接地電極放電部の直径、L 接地電極放電部の突き出し長さ
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記中心電極(10)の外周に配設され、前記中心電極(10)を保持する絶縁碍子(30)と、
前記絶縁碍子(30)の外周に配設され、前記絶縁碍子(30)を保持するハウジング(20)と、
前記中心電極放電部(11)と放電ギャップ(50)を介して対向する接地電極放電部(41)を有する接地電極(40)とを備え、
燃焼室(3)に吸入される吸入空気を過給する過給手段(70)を備えた内燃機関において使用される内燃機関用スパークプラグであって、
前記接地電極放電部(41)の前記中心電極放電部(11)と対向する部分の直径をB(mm)、前記中心電極放電部(11)の前記接地電極放電部(41)と対向する部分の直径をA(mm)としたときに、
0.9≦B≦1.4(mm)、かつ、
B/A≧1.4、
の関係を満たすことを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
A central electrode (10) having a central electrode discharge section (11) at the tip;
An insulator (30) disposed on an outer periphery of the center electrode (10) and holding the center electrode (10);
A housing (20) disposed on an outer periphery of the insulator (30) and holding the insulator (30);
A ground electrode (40) having a ground electrode discharge part (41) opposed to the central electrode discharge part (11) via a discharge gap (50);
A spark plug for an internal combustion engine used in an internal combustion engine provided with a supercharging means (70) for supercharging intake air sucked into a combustion chamber (3),
The diameter of the portion of the ground electrode discharge portion (41) facing the center electrode discharge portion (11) is B (mm), and the portion of the center electrode discharge portion (11) facing the ground electrode discharge portion (41) When the diameter of A is A (mm),
0.9 ≦ B ≦ 1.4 (mm), and
B / A ≧ 1.4,
A spark plug for an internal combustion engine characterized by satisfying the relationship:
前記接地電極放電部(41)が、前記中心電極放電部(11)へ向けて前記接地電極(40)から突出する長さをL(mm)としたときに、
0.5(mm)≦L≦1.2(mm)、
の関係を満たすことを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
The spark plug for an internal combustion engine according to claim 1,
When the length of the ground electrode discharge part (41) protruding from the ground electrode (40) toward the center electrode discharge part (11) is L (mm),
0.5 (mm) ≦ L ≦ 1.2 (mm),
A spark plug for an internal combustion engine characterized by satisfying the relationship:
前記過給手段(70)により過給されることによって前記中心電極放電部(11)と前記接地電極放電部(41)との間の前記放電ギャップ(50)を流れる燃料と空気との混合気の流速が20m/s以上となることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。 The spark plug for an internal combustion engine according to claim 1 or 2,
A mixture of fuel and air flowing in the discharge gap (50) between the center electrode discharge part (11) and the ground electrode discharge part (41) by being supercharged by the supercharging means (70). The spark plug for an internal combustion engine is characterized by having a flow velocity of 20 m / s or more.
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