JP2018139233A - スパークプラグ - Google Patents

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智行 五十嵐
Tomoyuki Igarashi
智行 五十嵐
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Abstract

【課題】中心電極側に突き出した貴金属チップを接地電極に備えるスパークプラグにおいて、耐久性を確保しつつ、着火性を向上可能な技術を提供する。【解決手段】スパークプラグは、軸線に沿った軸孔を有する絶縁体と、軸孔に設けられた中心電極と、絶縁体の外周に配置された筒状の主体金具と、主体金具に基端が固定され、貴金属チップが、中心電極の先端面に対向し、かつ先端面に向かって突出するように接合されたチップ接合面を有する接地電極と、を備える。貴金属チップをチップ接合面に平行な投影面に投影した場合に、貴金属チップの投影面における形状が楕円であり、投影面における楕円の長軸と、接地電極を投影面に投影した場合の投影面における接地電極の長手方向に沿った直線であって貴金属チップの中心を通る直線とのなす角が45°以下である。【選択図】図1

Description

本発明は、スパークプラグに関する。
従来、中心電極側に突き出した貴金属チップを接地電極に備えるスパークプラグが広く利用されている。例えば、特許文献1に記載されたスパークプラグでは、直方体状の貴金属チップが接地電極に設けられている。また、特許文献2に記載されたスパークプラグでは、楕円柱状の貴金属チップが接地電極に設けられている。貴金属チップをこれらの形状にすれば、円柱(正円柱)状の貴金属チップよりも体積を大きくすることが容易なため、耐久性を向上させることができる。
特開2015−125879号公報 特開2008−270188号公報
しかし、特許文献1のスパークプラグでは、貴金属チップが直方体状であるため、耐久性は向上可能であるものの、同じ体積を持つ円柱状の貴金属チップと比較すれば、貴金属チップの表面積が大きくなるため、消炎作用が働きやすくなって着火性が低下する可能性がある。また、特許文献2のスパークプラグでは、貴金属チップが楕円柱状であるため耐久性は向上可能であるものの、火炎核が広がりやすい方向である貴金属チップの短軸方向が接地電極の長手方向に沿っているため、火炎核の広がりが接地電極の基端部で遮られやすくなり、着火性が低下する可能性がある。そのため、中心電極側に突き出した貴金属チップを接地電極に備えるスパークプラグにおいて、耐久性を確保しつつ、着火性を向上可能な技術が望まれている。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
(1)本発明の一形態によれば、スパークプラグが提供される。このスパークプラグは、軸線に沿った軸孔を有する絶縁体と;前記軸孔に設けられた中心電極と;前記絶縁体の外周に配置された筒状の主体金具と;前記主体金具に基端が固定され、貴金属チップが、前記中心電極の先端面に対向し、かつ前記先端面に向かって突出するように接合されたチップ接合面を有する接地電極と;を備え、前記貴金属チップを前記チップ接合面に平行な投影面に投影した場合に、前記貴金属チップの前記投影面における形状が楕円であり、前記投影面における前記楕円の長軸と、前記接地電極を前記投影面に投影した場合の前記投影面における前記接地電極の長手方向に沿った直線であって前記貴金属チップの中心を通る直線とのなす角が45°以下であることを特徴とする。このような形態のスパークプラグであれば、貴金属チップが楕円柱状であり、その短軸が接地電極の長手方向に沿うことがないため、耐久性を確保しつつ着火性を向上させることができる。
(2)上記形態のスパークプラグにおいて、前記貴金属チップの体積は、0.15mm以上でもよい。このような形態のスパークプラグであれば、楕円柱以外の形状を有する貴金属チップを採用するよりも、失火が生じる可能性を低減することができる。
(3)上記形態のスパークプラグにおいて、前記投影面において、前記楕円の短径に対する長径の比Rが、
1.0<R<1.1
でもよい。このような形態のスパークプラグであれば、接地電極に対する貴金属チップの接合強度を高めることができる。
(4)上記形態のスパークプラグにおいて、前記貴金属チップと前記接地電極との間に中間チップが接合されてもよい。このような形態のスパークプラグであれば、貴金属チップの接地電極に対する接合強度を向上させることができる。
(5)上記形態のスパークプラグにおいて、前記貴金属チップと前記中心電極との間の距離が、1.3mm以下でもよい。このような形態のスパークプラグであれば、楕円以外の形状を有する貴金属チップを採用するよりも、失火が生じる可能性を低減することができる。
(6)上記形態のスパークプラグにおいて、前記投影面において、前記基端の前記貴金属チップに近い側の2カ所の角部と、前記楕円の中心とをそれぞれ結ぶ2本の直線の間に、前記長軸が位置してもよい。このような形態のスパークプラグであれば、火炎核の広がりが接地電極の基端によって遮られることを効果的に抑制することができる。
(7)上記形態のスパークプラグにおいて、前記中心電極の前記先端面の直径よりも前記貴金属チップの長径の方が小さくてもよい。このような形態のスパークプラグであれば、火炎核の広がりが貴金属チップによって遮られることを効果的に抑制することができる。
本発明は、上述したスパークプラグとしての形態以外にも、例えば、スパークプラグの製造方法など、種々の形態で実現することが可能である。
本発明の第1実施形態としてのスパークプラグの部分断面図である。 接地電極付近を拡大した側面図である。 貴金属チップの形状を概略的に示す斜視図である。 貴金属チップの長軸の方向を示す説明図である。 接地電極を中心電極側から見た火炎核の広がりを示す図である。 接地電極の先端部側から見た火炎核の広がりを示す図である。 貴金属チップの長軸の方向の好適な範囲を示す説明図である。 貴金属チップの体積と失火確率との関係を評価した第1試験の結果を示すグラフである。 貴金属チップの長径比と酸化スケールとの関係を評価した第2試験の結果を示すグラフである。 ギャップと失火確率との関係を評価した第3試験の結果を示すグラフである。 ギャップと失火確率との関係を評価した第3試験の結果を示すグラフである。 スパークプラグの第2実施形態を示す図である。 第2実施形態における貴金属チップを中心電極側から見た図である。
A.第1実施形態:
図1は、本発明の第1実施形態としてのスパークプラグ100の部分断面図である。スパークプラグ100は、軸線Oに沿った細長形状を有している。図1において、一点破線で示す軸線Oの右側は、外観正面図を示し、軸線Oの左側は、軸線Oを通る断面図を示している。以下の説明では、図1の下方側をスパークプラグ100の一端側と呼び、図1の上方側を他端側と呼ぶ。
スパークプラグ100は、軸線O沿った軸孔12を有する絶縁体10と、軸孔12に設けられた中心電極20と、絶縁体10の外周に配置された筒状の主体金具50と、主体金具50に基端32が固定された接地電極30と、を備える。
絶縁体10は、アルミナを始めとするセラミックス材料を焼成して形成された絶縁碍子である。絶縁体10は、一端側に中心電極20の一部を収容し、他端側に端子金具40の一部を収容する軸孔12が中心に形成された筒状の部材である。絶縁体10の軸方向中央には外径の大きい中央胴部19が形成されている。中央胴部19の他端側には、中央胴部19よりも外径が小さい他端側胴部18が形成されている。中央胴部19の一端側には、他端側胴部18よりも外径が小さい一端側胴部17が形成されている。一端側胴部17の更に一端側には、一端側胴部17よりも小さい外径であって中心電極20側へ向かうほど外径が小さくなる脚長部13が形成されている。
主体金具50は、絶縁体10の他端側胴部18の一部から脚長部13に亘る部位を包囲して保持する円筒状の金具である。主体金具50は、例えば、低炭素鋼により形成され、全体にニッケルめっきや亜鉛めっき等のめっき処理が施されている。主体金具50は、他端側から順に、工具係合部51と、シール部54と、取付ネジ部52とを備える。工具係合部51には、スパークプラグ100をエンジンヘッドに取り付けるための工具が嵌合する。取付ネジ部52は、エンジンヘッドの取付ネジ孔にねじ込まれるネジ山を有する。シール部54は、取付ネジ部52の根元に鍔状に形成されている。シール部54とエンジンヘッドとの間には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット65が嵌挿される。主体金具50の一端側の端面57は、中空の円状であり、その中央からは、絶縁体10の脚長部13の一端と中心電極20の一端とが突出する。
主体金具50の工具係合部51より他端側には厚みの薄い加締部53が設けられている。また、シール部54と工具係合部51との間には、加締部53と同様に厚みの薄い圧縮変形部58が設けられている。工具係合部51から加締部53にかけての主体金具50の内周面と絶縁体10の他端側胴部18の外周面との間には、円環状のリング部材66,67が介在されており、さらに両リング部材66,67間にタルク(滑石)69の粉末が充填されている。スパークプラグ100の製造時には、加締部53を内側に折り曲げるようにして一端側に押圧することにより圧縮変形部58が圧縮変形し、この圧縮変形部58の圧縮変形により、リング部材66,67およびタルク69を介し、絶縁体10が主体金具50内で一端側に向け押圧される。この押圧により、タルク69が軸線O方向に圧縮されて主体金具50内の気密性が高められる。
主体金具50の内周においては、取付ネジ部52の内周に形成された金具内段部56に、環状の板パッキン68を介し、絶縁体10の脚長部13の他端に位置する碍子段部15が押圧されている。この板パッキン68は、主体金具50と絶縁体10との間の気密性を保持する部材であり、燃焼ガスの流出を防止する。
中心電極20は、電極母材21の内部に、電極母材21よりも熱伝導性に優れる芯材22が埋設された棒状の部材である。電極母材21は、ニッケルを主成分とするニッケル合金からなり、芯材22は、銅または銅を主成分とする合金からなる。中心電極20の一端側には、例えば、イリジウム合金などによって形成された貴金属チップが接合されていてもよい。
中心電極20の他端部近傍には、外周側に張り出した鍔部23が形成されている。鍔部23は、軸孔12に形成された軸孔内段部14に他端側から接触して、中心電極20を絶縁体10内で位置決めする。中心電極20の他端部は、シール体64およびセラミック抵抗63を介して端子金具40に電気的に接続される。
図2は、接地電極30付近を拡大した側面図である。図2において、軸線Oに垂直な紙面左右方向を、接地電極30の「長手方向」という。また、紙面右側を接地電極30の「先端側」といい、紙面左側を接地電極30の「基端側」という。接地電極30は、ニッケルを主成分とした合金によって形成されている。接地電極30は、主体金具50の端面57に基端32が固定されている。接地電極30は、基端32から一端側に向かって軸線Oに沿って延び、先端部33の一側面が中心電極20の先端面24に対向するように、その中間部分が屈曲されている。なお、本実施形態における中心電極20の先端面24は真円状である。
接地電極30は、中心電極20側を向く面に、チップ接合面35を有している。チップ接合面35には、中心電極20の先端面24に対向し、かつ先端面24に向かって突出するように貴金属チップ31が接合されている。本実施形態では、貴金属チップ31は接地電極30に抵抗溶接されている。
図3は、貴金属チップ31の形状を概略的に示す斜視図である。図3に示されているように、本実施形態では、貴金属チップ31は、楕円柱状の形状を有している。
図4は、貴金属チップ31の長軸A1の方向を示す説明図である。図4の紙面は、チップ接合面35に平行な面(投影面S1)であるものとする。本実施形態では、貴金属チップ31を投影面S1に投影した場合に、貴金属チップ31の投影面S1における形状は楕円である。本実施形態では、貴金属チップ31の長径は1.0mmであり、短径は0.95mmである。なお、本実施形態において楕円とは、長軸が特定可能であり全体として略楕円であればよく、外周の一部に多少の凹凸あるいは平面部分があってもよい。
投影面S1における楕円の長軸A1と、接地電極30の長手方向に沿った直線L1とのなす角θは、45°以下であることが好ましい。本実施形態では、このなす角θは、0°である。直線L1とは、より詳しくは、接地電極30を投影面S1に投影した場合の投影面S1における接地電極30の長手方向に沿った直線であって貴金属チップ31の中心C1を通る直線である。
図5は、接地電極30を中心電極20側から見た火炎核FLの広がりを示す図である。図6は、接地電極30の先端部33側から見た火炎核FLの広がりを示す図である。スパークプラグ100において、中心電極20と接地電極30(貴金属チップ31)との間で火花放電が行われると、火花SP(図6)によって混合気が着火され、火炎核FLが成長する。このとき、火炎核FLは、図5に示すように、接地電極30の基端32へ向かう方向以外の方向に広がりやすい。接地電極30の基端32へ向かう方向については、接地電極30の存在によって火炎核の成長が妨げられるためである。そして、図6に示すように、貴金属チップ31が大きければ(破線参照)それだけ火炎核FLの広がりが遮られるが、本実施形態では、貴金属チップ31が楕円柱状であり、その長軸が接地電極30の長手方向に沿っている。従って、接地電極30の基端32へ向かう方向以外の方向(接地電極30の幅方向)における貴金属チップ31の幅が小さくなり、火炎核をより広がりやすくすることができる。この結果、スパークプラグ100の着火性を向上させることができる。また、本実施形態の貴金属チップ31は、楕円柱状であるため、例えば、体積が同じ直方体状の貴金属チップ31と比較すると、表面積を小さくすることができる。そのため、消炎作用が抑制され、スパークプラグ100の着火性が向上する。また、本実施形態の貴金属チップ31は、楕円柱状であるため、その短径と同一の直径を有する真円状の貴金属チップ31よりも体積が大きくなり耐久性が向上する。そのため、本実施形態によれば、スパークプラグ100の耐久性を確保しつつ着火性を向上させることができる。
上記実施形態において、貴金属チップ31の体積は、0.15mm以上であることが好ましい。貴金属チップ31の体積が、0.15mm以上である場合には、楕円柱以外の形状を有する貴金属チップを採用するよりも、失火が生じる可能性を低減することができる。この理由は、後述する第1試験の結果に基づき後で説明する。
上記実施形態では、図4に示した投影面S1において、貴金属チップ31の短軸A2の長さ(短径)に対する長軸A1の長さ(長径)の比Rが、
1.0<R<1.1
であることが好ましい。以下、この比Rを長径比Rという。長径比Rがこのような値であれば、貴金属チップ31の接合強度を高めることができる。この理由は、後述する第2試験の結果に基づき後で説明する。
上記実施形態では、貴金属チップ31と中心電極20との間の距離D1(図2参照、以下、「ギャップD1」という)が、1.3mm以下であることが好ましい。ギャップD1が1.3mm以下の場合には、楕円以外の形状を有する貴金属チップを採用するよりも失火が生じる可能性を低減することができる。この理由は、後述する第3試験の結果に基づき後で説明する。
図7は、貴金属チップ31の長軸A1の方向の好適な範囲を示す説明図である。図7に示すように、上記実施形態では、チップ接合面35に平行な投影面S1において、基端32の貴金属チップ31に近い側の2カ所の角部C2,C3と、貴金属チップ31の中心C1とをそれぞれ結ぶ2本の直線L2,L3との間に、長軸A1が位置してもよい。このような範囲に貴金属チップ31の長軸A1が位置していれば、貴金属チップ31の短軸A2が接地電極30の基端32側を向くことがないので、火炎核の広がりが接地電極30の基端32によって遮られることを効果的に抑制することができる。
また、上記実施形態では、中心電極20の先端面24の直径よりも貴金属チップ31の長径の方が小さいことが好ましい。中心電極20の先端面24の直径よりも貴金属チップ31の長径の方が小さければ、貴金属チップ31によって火炎核の広がりが遮られることを効果的に抑制することができる。
B.評価試験結果:
図8は、貴金属チップの体積と失火確率との関係を評価した第1試験の結果を示すグラフである。この試験では、4気筒2000ccのガソリンエンジンにおいて、エンジン回転数1600rpm、点火回数30000回、点火時期(BTDC)30°としたときに、体積が0.11mmの円柱状の貴金属チップの失火確率が約0.1%となる試験条件により、円柱状、楕円柱状、角柱状のそれぞれの貴金属チップの体積を変更して失火確率を評価した。貴金属チップと中心電極との間のギャップD1は0.6mmとした。また、楕円柱状の貴金属チップの長径比Rを1.06とし、なす角θ(図4参照)を0°とした。
図8に示されているように、いずれの形状の貴金属チップも、体積が増加すると、失火確率が増加した。これは、体積の増加によって、消炎作用が大きくなり、火炎核の成長が妨げられるからだと考えられる。しかし、楕円柱状の貴金属チップは他の形状の貴金属チップよりも、体積が0.15mm以上において、失火確率の増加率が顕著に低かった。これは、貴金属チップの長軸が接地電極の長手方向に沿っているため、貴金属チップの幅が小さくなり、接地電極の幅方向に火炎核が広がりやすいためだと考えられる。従って、上記実施形態における貴金属チップは、その体積が、0.15mm以上であることが好ましい。貴金属チップの体積がこのような条件を満たしていれば、円柱や角柱状の他の形状の貴金属チップに比べ、失火が生じる可能性を低減することができる。
図9は、貴金属チップの長径比Rと酸化スケールとの関係を評価した第2試験の結果を示すグラフである。この試験では、体積および長径比を変更した種々の貴金属チップについて、それらを接地電極に接合した状態で、貴金属チップの先端面が1000°になるように2分間加熱を行い、その後、2分間冷却を行うサイクルを1000サイクル実施した。そして、その後、貴金属チップと接地電極の溶接部分の半断面を貴金属チップの短軸に沿って削り出し、その半断面において、貴金属チップと接地電極の界面の長さに対するクラックの長さの割合を酸化スケールとして求めた。
図9に示されているように、いずれの体積の貴金属チップについても、長径比Rが1.1を超えると、酸化スケールが顕著に大きくなった。これは、貴金属チップは自身の熱膨張率に基づいて膨張・収縮するため、長径比Rが大きくなると、長軸方向に掛かる熱応力が大きくなり、長軸方向における溶接界面での歪みが大きくなることで、溶接強度が低下するためだと考えられる。つまり、貴金属チップの長径比Rは、1.0より大きく1.1より小さいことが好ましい。長径比Rがこのような条件を満たしていれば、貴金属チップの接合強度を高めることができる。
図10および図11は、ギャップD1と失火確率との関係を評価した第3試験の結果を示すグラフである。図10には、体積が0.45mmの貴金属チップを用いた試験結果を示し、図11には、体積が0.62mmの貴金属チップを用いた試験結果を示した。この試験では、楕円柱状の貴金属チップと円柱状の貴金属チップとを両方用いて評価を行った。試験方法は、第1試験と同じとした。
図10および図11に示されているように、ギャップD1を1.5mmから徐々に小さくしていくと、ギャップD1が1.3mm以下において、円柱状の貴金属チップよりも楕円柱状の貴金属チップの方が、失火確率の増加量が小さくなった。これは、ギャップD1が小さいほど、貴金属チップの大きさ(接地電極の幅方向における大きさ)が火炎核の広がりに大きく影響を与えるためであると考えられる。つまり、ギャップD1は、1.3mm以下であることが好ましい。ギャップD1がこのような条件を満たしていれば、楕円柱状の貴金属チップを採用する方が、楕円柱以外の形状を有する貴金属チップを採用するよりも失火が生じる可能性を低減することができる。
C.第2実施形態:
図12は、スパークプラグの第2実施形態を示す図である。第1実施形態と第2実施形態とでは、貴金属チップ31の接地電極30への接合方法が異なり、他の構成は同じである。第2実施形態では、貴金属チップ31と接地電極30との間に、中間チップ31aが接合されている。中間チップ31aは、接地電極30と同種の材料によって構成されている。貴金属チップ31と中間チップ31aはレーザー溶接されており、中間チップ31aと接地電極30とは抵抗溶接されている。
図13は、第2実施形態における貴金属チップ31を中心電極20側から見た図である。第2実施形態では、貴金属チップ31の形状は、上記実施形態と同様に楕円柱状である。また、中間チップ31aは、貴金属チップ31よりも長軸および短軸のいずれもが大きい楕円柱状である。中間チップ31aは、接地電極30との接合される面が鍔状に形成されている。
本実施形態のスパークプラグ100aによれば、接地電極30と同種の素材である中間チップ31aを介して貴金属チップ31が接地電極30に接合されているので、貴金属チップ31の接地電極30に対する接合強度を向上させることができる。また、このような形態のスパークプラグ100aであっても、貴金属チップ31は、楕円柱状であるため、第1実施形態と同様の効果を奏する。第1実施形態における好適な条件は、第2実施形態においても全て適用可能である。なお、本実施形態における貴金属チップ31の体積とは、中間チップ31aとの溶融部31b(図12)を含まない体積である。
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
10…絶縁体
12…軸孔
13…脚長部
14…軸孔内段部
15…碍子段部
17…一端側胴部
18…他端側胴部
19…中央胴部
20…中心電極
21…電極母材
22…芯材
23…鍔部
24…先端面
30…接地電極
31…貴金属チップ
31a…中間チップ
32…基端
33…先端部
35…チップ接合面
40…端子金具
50…主体金具
51…工具係合部
52…取付ネジ部
53…加締部
54…シール部
56…金具内段部
57…端面
58…圧縮変形部
63…セラミック抵抗
64…シール体
65…ガスケット
66,67…リング部材
68…板パッキン
69…タルク
100,100a…スパークプラグ
FL…火炎核
S1…投影面
SP…火花

Claims (6)

  1. 軸線に沿った軸孔を有する絶縁体と、
    前記軸孔に設けられた中心電極と、
    前記絶縁体の外周に配置された筒状の主体金具と、
    前記主体金具に基端が固定され、貴金属チップが、前記中心電極の先端面に対向し、かつ前記先端面に向かって突出するように接合されたチップ接合面を有する接地電極と、
    を備えたスパークプラグにおいて、
    前記貴金属チップを前記チップ接合面に平行な投影面に投影した場合に、前記貴金属チップの前記投影面における形状が楕円であり、
    前記投影面における前記楕円の長軸と、前記接地電極を前記投影面に投影した場合の前記投影面における前記接地電極の長手方向に沿った直線であって前記貴金属チップの中心を通る直線とのなす角が45°以下である、
    ことを特徴とするスパークプラグ。
  2. 請求項1に記載のスパークプラグであって、
    前記貴金属チップの体積は、0.15mm以上であることを特徴とするスパークプラグ。
  3. 請求項1または請求項2に記載のスパークプラグであって、
    前記貴金属チップと前記接地電極との間に中間チップが接合されていることを特徴とするスパークプラグ。
  4. 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
    前記貴金属チップと前記中心電極との間の距離が、1.3mm以下であることを特徴とするスパークプラグ。
  5. 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
    前記投影面において、前記基端の前記貴金属チップに近い側の2カ所の角部と、前記楕円の中心とをそれぞれ結ぶ2本の直線の間に、前記長軸が位置することを特徴とするスパークプラグ。
  6. 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
    前記中心電極の前記先端面の直径よりも前記貴金属チップの長径の方が小さいことを特徴とするスパークプラグ。
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