JP2019139945A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】接地電極において貴金属チップよりも基端側の部分の消耗を抑制し得るスパークプラグを提供する。【解決手段】スパークプラグ１００は、接地電極３０の貴金属チップ３２の放電面３３と、中心電極２０の先端部において放電面３３に最も近い位置に配置されるエッジ部２９との間で間隙が形成されている。中心電極２０の先端部と接地電極３０とが軸線Ｘと直交する向きで対向する方向を対向方向とし、対向方向と直交する仮想平面にエッジ部２９及び放電面３３を投影したとき、放電面３３の投影領域内にエッジ部２９が投影される。【選択図】図２

Description

本発明は、スパークプラグに関するものである。

特許文献１には、スパークプラグの一例が開示されている。特許文献１のスパークプラグでは、接地電極に設けられた傾斜部が軸線方向に対して斜めに配置され、傾斜部には、貴金属チップからなる突出部が設けられている。中心電極は、軸線方向に沿って設けられており、中心電極の先端部と接地電極の突出部（貴金属チップ）との間には、火花放電ギャップが形成されている。

特開２０１７−１８３１０７号公報

特許文献１のスパークプラグは、接地電極の突出部（貴金属チップ）が、中心電極の先端から軸線方向（プラグ軸方向Ｚ）において距離を隔てて対向しており、中心電極の先端の真横には、接地電極の基端側の部分（貴金属チップよりも根元側の部分）が配置されている。この配置では、軸線方向（プラグ軸方向Ｚ）と直交する向きで中心電極側から接地電極側に向かうような筒内流動がある場合に、接地電極の基端側の部分（貴金属チップよりも根元側の部分）が中心電極先端で生じる発火の影響を受けやすくなり、この部分の消耗が進行してしまうことが懸念される。

本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、接地電極において貴金属チップよりも基端側の部分の消耗を抑制し得るスパークプラグを提供することを目的とする。

本発明の一つであるスパークプラグは、
筒状の主体金具と、
軸線方向に沿った軸孔を備えるとともに、前記主体金具の内側に保持される絶縁体と、
前記軸孔の先端側に配置される中心電極と、
一端側が前記主体金具に接合されるとともに、前記軸線方向に対して傾斜して配置される傾斜部が他端側に設けられ、前記傾斜部が前記中心電極の先端部と対向して配置される接地電極と、
前記傾斜部のうちの前記中心電極側の面に接合されるとともに、前記中心電極と対向する放電面を有する貴金属チップと、
を備え、
前記中心電極の先端部において前記放電面に最も近い位置に配置されるエッジ部と、前記貴金属チップの前記放電面との間で間隙が形成されたスパークプラグであって、
前記中心電極の先端部と前記接地電極とが前記軸線方向と直交する向きで対向する方向を対向方向とし、前記対向方向と直交する仮想平面に前記エッジ部及び前記放電面を投影したとき、前記放電面の投影領域内に前記エッジ部が投影される。

このようにスパークプラグが構成されていると、貴金属チップの放電面とエッジ部とが軸線方向と直交する向きで向かい合う関係となるため、軸線方向と直交する向きで中心電極側から接地電極側に向かうように筒内流動が生じている場合であっても、エッジ部付近で生じた火花を貴金属チップの放電面で受けやすくなり、火花が接地電極の基端側部分（貴金属チップよりも根元側の部分）に及びにくくなる。よって、このような筒内流動の発生時に接地電極の基端側部分（貴金属チップよりも根元側の部分）に飛び火することを抑えることができ、接地電極の消耗を効果的に抑制し得る。

上記スパークプラグにおいて、貴金属チップは、放電面においてエッジ部から最短距離となる位置が放電面の輪郭線よりも内側となるように配置される構成であってもよい。
このように構成されていれば、中心電極のエッジ部付近で放電が発生するときに、放電面の輪郭線付近に火花が集中しすぎることを抑えることができる。よって、輪郭線付近の偏消耗を効果的に抑制し得る。

上記スパークプラグにおいて、貴金属チップは、放電面においてエッジ部から最短距離となる位置が放電面の中心位置よりも軸線方向において先端側となるように配置される構成であってもよい。
このように構成されていれば、貴金属チップから接地電極の基端までの距離をより短くすることができるため、接地電極での熱引きを良くすることができる。しかも、放電面の中心位置よりも軸線方向先端側で火花が生じやすくなるため、着火性をより高めることができる。

本発明によれば、接地電極において貴金属チップよりも基端側の部分の消耗を抑制し得るスパークプラグを実現できる。

第１実施形態のスパークプラグの一例を示す一部断面概略図である。 図１のスパークプラグの一部を拡大して具体的に例示する拡大図である。 図１のスパークプラグを中心電極の先端位置で切断した切断面を概略的に示す断面図である。 図１のスパークプラグの一部を図２とは異なる方向から見た拡大図である。 貴金属チップ及び中心電極の一部を仮想平面に投影した図形を示す説明図である。

１．第１実施形態
１−１．スパークプラグの全体構成
図１は、第１実施形態に係るスパークプラグ１００の部分断面図であり、スパークプラグ１００の軸線Ｘを境界として、一方側にスパークプラグ１００の外観形状を図示し、他方側にスパークプラグ１００の断面形状を図示したものである。以下の説明では、軸線Ｘと平行な方向を軸線方向とも称し、軸線方向において接地電極３０が設けられる側（図１の下方側）を先端側とし、端子金具４０が露出する側（図１の上方側）を後端側とする。

図１のように、スパークプラグ１００は、絶縁体１０と、中心電極２０と、接地電極３０と、端子金具４０と、主体金具５０とを備える。

絶縁体１０は、セラミックス材料（例えばアルミナ等）を焼成して形成された絶縁碍子であり、中心電極２０及び端子金具４０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。軸孔１２は、軸線方向に沿った貫通孔として形成されている。絶縁体１０の軸方向中央には外径を大きくした中央胴部１９が形成されている。絶縁体１０において中央胴部１９よりも後端側には、端子金具４０と主体金具５０との間を絶縁する後端側胴部１８が形成されている。絶縁体１０において中央胴部１９よりも先端側には、後端側胴部１８よりも外径が小さい先端側胴部１７が形成され、先端側胴部１７の更に先端側には、先端側胴部１７よりも小さい外径であって先端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。絶縁体１０の外周部は、主体金具５０によって保持されている。

中心電極２０は、絶縁体１０の先端側に配置されるとともに軸孔１２内に一部が収容され、残余の部分が絶縁体１０の先端から突出する形態をなし、外周部が絶縁体１０によって保持されている。中心電極２０は、有底筒状に形成された電極母材２１の内部に、電極母材２１よりも熱伝導性に優れる芯材２５を埋設し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成り、芯材２５は、銅または銅を主成分とする合金から成る。中心電極２０は、電極母材２１の先端が絶縁体１０の軸孔１２から突出した状態で絶縁体１０の軸孔１２に挿入され、セラミック抵抗３及びシール体４を介して端子金具４０に電気的に接続されている。

接地電極３０は、一端側が主体金具５０に接合される部材であり、主体金具５０を介してエンジンヘッド２００に電気的に接続されている。接地電極３０は、自身の後端部が主体金具５０の先端部に接合されており、主体金具５０の先端部よりも先端側に延びる形態をなす。接地電極３０は、湾曲した棒状の基部３１と、基部３１に接合される貴金属チップ３２（接地電極チップ）とを備えており、貴金属チップ３２と中心電極２０の先端との間には、火花を発生させる間隙である火花ギャップが形成されている。なお、接地電極３０や中心電極２０の詳細については後述する。

主体金具５０は、絶縁体１０を内部に保持する筒状の部材である。主体金具５０は、絶縁体１０の後端側胴部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り、例えば低炭素鋼から成る。主体金具５０は、工具係合部５１と、取付ネジ部５２と、シール部５４とを備える。工具係合部５１は、スパークプラグ１００をエンジンヘッド２００に取り付ける工具（図示せず）が嵌合する部位である。取付ネジ部５２は、エンジンヘッド２００の取付ネジ孔２０１に螺合するネジ山（雄ねじ部）を有する。シール部５４は、取付ネジ部５２の基端部付近から外側に張り出す形態で鍔状に形成され、シール部５４とエンジンヘッド２００との間には、環状のガスケット５が嵌挿される。主体金具５０の先端面５７は、中空状且つ円環状となっており、先端面５７の中央側から絶縁体１０の脚長部１３の一部が突出する。この脚長部１３の先端から中心電極２０の一部（先端部付近）が突出する。

主体金具５０において工具係合部５１より後端側には薄肉の加締部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と同様に薄肉の圧縮変形部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、主体金具５０の内周面と絶縁体１０の後端側胴部１８の外周面との間には、円環状のリング部材６，７が配置されており、さらに両リング部材６，７の間にはタルク（滑石）９の粉末が充填されている。

主体金具５０は、取付ネジ部５２の内周側に金具内段部５６が形成されている。金具内段部５６は、絶縁体１０の脚長部１３の基端部に位置する碍子段部１５により、環状の板パッキン８を介して押圧されている。板パッキン８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ぐように機能する。

このように構成されたスパークプラグ１００は、内燃機関のエンジンヘッド２００に設けられた取付ネジ孔２０１に主体金具５０を介して取り付けられる。そして、使用時には、端子金具４０に高電圧（例えば、２万〜３万ボルト程度の高電圧）が印加されることに応じて、中心電極２０と接地電極３０との間に形成された火花ギャップに火花を発生させるように動作する。

１−２．中心電極及び接地電極の詳細構成
次に、中心電極及び接地電極の詳細について説明する。
図２は、図１で示すスパークプラグ１００の先端部付近を拡大して示す拡大図である。なお、図２は、図１とは上下が逆になっており、上方側が先端側であり下方側が後端側である。

図２に示すように、中心電極２０は、その先端に中心電極チップ２７を有している。中心電極チップ２７は、軸線方向（軸線Ｘと平行な方向）に延びる略円柱形状をなしており、耐火花消耗性を高めるために、高融点の貴金属を主成分として形成されている。中心電極チップ２７は、例えば、イリジウム（Ｉｒ）、あるいは、Ｉｒを主成分として、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）のうちの１種類以上を添加したＩｒ合金によって形成することができる。中心電極チップ２７の先端面２８は、軸線方向に対して垂直な平坦面となっている。

図３では、中心電極２０の先端面２８と軸線Ｘとが交わる位置である交差位置Ｐｘを通り且つ軸線Ｘと直交する切断面で切断した断面図における、中心電極２０の先端面２８と接地電極３０の基部３１との関係を示している。なお、この切断面で切断した断面図には、実際は貴金属チップ３２の断面も表れるが、図３では貴金属チップ３２の断面は省略している。図３のような切断面において、基部３１の断面の重心（図心）をＰｙとしたとき、この重心（図心）Ｐｙと上述の交差位置Ｐｘとを通る直線と平行な方向を対向方向とする。そして、この対向方向と直交する方向であり、且つ上述の軸線方向とも直交する方向を横方向とする。

図２に示すように、接地電極３０は、基部３１と貴金属チップ３２（接地電極チップ）とを備え、基部３１の後端が主体金具５０の先端面５７に溶接されている。

基部３１は、横断面（延びる方向に対して直交する方向の断面）が略矩形形状の棒状部材であり、軸線方向に沿って立ち上がる立ち上がり部３１Ａが一端側（基端側）に設けられ、立ち上がり部３１Ａから屈曲して延びる傾斜部３１Ｂが他端側（先端側）に設けられている。基部３１の材料は、例えば、Ｎｉ又はＮｉを主成分とする合金である。

基部３１の基端（後端）は、図２で示す対向方向の幅Ｗａよりも図４で示す横方向の幅Ｗｂのほうが大きくなっており、基部３１は、基端から先端までの全体にわたり対向方向の幅よりも横方向の幅のほうが大きくなっている。このように構成されるため、基部３１における中心電極２０側の面と中心電極２０との間の距離を確保しやすくなり、基部３１への飛び火を抑制しやすくなる。

傾斜部３１Ｂは、先端側が中心電極２０側へ寄るように軸線方向に対して傾斜して配置され、中心電極２０の先端部と対向して配置される。図３で示す交差位置Ｐｘ及び重心（図心）Ｐｙを通り且つ軸線Ｘ（図２）を通る仮想的な平面をＦとしたとき、基部３１は、この平面Ｆに沿って延びており、基部３１の基端から先端までの全範囲で基部３１の横方向中心位置がほぼ平面Ｆ上に位置するようになっている。

図２で示す貴金属チップ３２（接地電極チップ）は、接地電極３０の耐火花消耗性を向上するために設けられた部材であり、傾斜部３１Ｂにおける中心電極２０側の面から中心電極２０側に突出して設けられている。貴金属チップ３２は、高融点の貴金属を主成分とし、例えば、白金（Ｐｔ）、Ｐｔ−Ｎｉ合金などによって構成されている。貴金属チップ３２は、円柱状の形態をなし、一端面（裏面）がレーザ溶接などによって傾斜部３１Ｂの一方面（中心電極２０側の面）に接合されている。

貴金属チップ３２において傾斜部３１Ｂに固着された面（裏面）とは反対側の表面（中心電極２０と対向する面）は、放電面３３として構成され、この放電面３３は、中心電極２０の先端部と対向して配置されている。図２の例では、軸線方向と放電面３３とのなす角度（鋭角側の角度）が９０°よりも小さく、放電面３３は軸線方向において先端側となるにつれて軸線Ｘに近づくように傾斜して配置されている。放電面３３と軸線Ｘとのなす角度θ（即ち、放電面３３の平面方向と軸線方向とのなす角度）は、例えば、３０°〜６０°の範囲内となっている。なお、図２の構成では、上述の平面Ｆ（図３）と放電面３３とが直交する関係となっている。

図２で示すエッジ部２９は、中心電極２０の先端面２８において放電面３３に最も近い位置に配置された角部であり、先端面２８における対向方向の端部（接地電極３０側の端部）である。図３の例では、先端面２８の輪郭線（外縁）のうち、上述の平面Ｆ上の位置がエッジ部２９の位置である。

図２のように、本構成では、軸線方向において放電面３３が存在する範囲ＡＲ内にエッジ部２９が位置している。つまり、エッジ部２９は、軸線方向において放電面３３の先端Ｐｂよりも後端側に位置しており、且つ放電面３３の後端Ｐａよりも先端側に位置している。更には、図４のように、横方向において放電面３３が存在する範囲内にエッジ部２９が位置している。つまり、エッジ部２９は、放電面３３の横方向一端（図４における放電面３３の左端）よりも他端側（右端側）に位置しており、放電面３３の横方向他端（図４における放電面３３の右端）よりも一端側（左端側）に位置している。

より具体的には、図３で示す上述の対向方向（中心電極２０の先端部と接地電極３０とが軸線Ｘと直交する向きで対向する方向）と直交する仮想平面にエッジ部２９及び放電面３３を投影したとき、放電面３３の投影領域内にエッジ部２９が投影されるようになっている。図５は、対向方向と直交する仮想平面に中心電極２０の先端部付近（中心電極チップ２７）と貴金属チップ３２とを投影した図形を示しており、中心電極チップ２７を投影した図形を符号２７Ｚで示しており、貴金属チップ３２を投影した図形を符号３２Ｚで示している。そして、放電面３３を投影した図形を符号３３Ｚで示し、放電面３３の投影領域をクロスハッチングで示している。そして、エッジ部２９の投影位置を符号２９Ｚで示している。図５のように、上述の対向方向と直交する仮想平面にエッジ部２９及び放電面３３を投影したときには、放電面３３の投影領域内にエッジ部２９が投影されるようになっている。

図２のように、中心電極２０と接地電極３０との間の間隔は、エッジ部２９と放電面３３における所定位置Ｐｓとの間の間隔が最も小さくなっている。図２、図４のように、貴金属チップ３２は、この所定位置Ｐｓ（放電面３３においてエッジ部２９から最短距離となる位置）が放電面３３の輪郭線３３Ａ（外縁）よりも内側となるように配置されている。図２において、直線Ｌｐは、エッジ部２９の位置から放電面３３に下ろした垂線を延長した線であり、位置（最短位置）Ｐｓは、この直線Ｌｐ上に存在する。より具体的には、位置Ｐｓが、放電面３３の輪郭線３３Ａ（外縁）よりも中心位置Ｐｃに近くなるように貴金属チップ３２が配置されている。なお、エッジ部２９と位置Ｐｓとの間隔が火花ギャップの間隔であり、この間隔は、例えば０．３ｍｍ〜１．０ｍｍとなっている。

更に、図２、図４のように、貴金属チップ３２は、所定位置Ｐｓ（放電面３３においてエッジ部２９から最短距離となる位置）が放電面３３の中心位置Ｐｃよりも軸線方向において先端側となるように配置されている。放電面３３の中心位置Ｐｃは、放電面３３の重心（図心）の位置であり、図２の例では、中心位置Ｐｃは、放電面３３の軸線方向中心位置となっている。

１−３．効果
スパークプラグ１００は、貴金属チップ３２の放電面３３とエッジ部２９とが軸線Ｘと直交する向きで向かい合う関係となるため、軸線Ｘと直交する向きで中心電極２０側から接地電極３０側に向かうように筒内流動が生じている場合であっても、エッジ部２９付近で生じた火花を貴金属チップ３２の放電面３３で受けやすくなり、火花が接地電極３０の基端側部分（貴金属チップ３２よりも根元側の部分）に及びにくくなる。よって、このような筒内流動の発生時に接地電極３０の基端側部分に飛び火することを抑えることができ、接地電極３０の消耗を効果的に抑制し得る。

特に、本構成では、低流速状態で消炎作用が大きく影響する条件下において着火性を確保できる効果に加え、高流速状態での電極の偏消耗や高エネルギー状態での消耗過多を抑制する効果を生じさせることができる。特に、昨今では、エンジンの高性能化に起因して、上述の筒内流動が大幅に速くなっており、点火コイルのエネルギー増大によって着火性を向上しようとする動向もあるため、高流速による電極の偏消耗や高エネルギーによる消耗過多が一層懸念されるが、本構成のスパークプラグ１００によれば、電極の消耗を効果的に抑制し得るため、このような厳しい環境下において特に有効となる。

本構成では、貴金属チップ３２は、放電面３３においてエッジ部２９から最短距離となる位置Ｐｓが放電面３３の輪郭線３３Ａよりも内側となるように配置される。このように構成されていれば、中心電極２０のエッジ部２９付近で放電が発生するときに、放電面３３の輪郭線３３Ａ付近に火花が集中しすぎることを抑えることができる。よって、輪郭線３３Ａ付近の偏消耗を効果的に抑制し得る。

本構成では、貴金属チップ３２は、放電面３３においてエッジ部２９から最短距離となる位置Ｐｓが放電面３３の中心位置Ｐｃよりも軸線方向において先端側となるように配置される。このように構成されていれば、貴金属チップ３２から接地電極３０の基端までの距離をより短くすることができるため、接地電極３０での熱引きを良くすることができる。しかも、放電面３３の中心位置Ｐｃよりも軸線方向先端側で火花が生じやすくなるため、着火性をより高めることができる。

２．他の実施形態
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、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、上述した実施形態や後述する実施形態の様々な特徴は、発明の趣旨を逸脱せず且つ矛盾しない組み合わせであればどのように組み合わせてもよい。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。

上述した実施形態では、中心電極チップ２７が設けられた中心電極２０を例示し、中心電極チップ２７の先端面２８が中心電極２０の先端面として構成された例を示したが、中心電極チップ２７が設けられていない構成であってもよい。この場合でも、中心電極２０の先端面を先端面２８と同様に構成することができる。

上述した実施形態では、放電面３３においてエッジ部２９から最短距離となる位置Ｐｓが、軸線方向において放電面３３の先端Ｐｂよりも中心位置Ｐｃに近い位置となるように貴金属チップ３２が配置されていたが、位置Ｐｓが、軸線方向において放電面３３の中心位置Ｐｃよりも先端Ｐｂに近い位置となるように貴金属チップ３２が配置されていてもよい。

上述した実施形態では、放電面が円形状に構成された貴金属チップを例示したが、放電面は楕円状や矩形状など、他の形状であってもよい。

１０…絶縁体
１２…軸孔
２０…中心電極
２９…エッジ部
３０…接地電極
３１Ｂ…傾斜部
３２…貴金属チップ
３３…放電面
５０…主体金具
１００…スパークプラグ
Ｘ…軸線

Claims (3)

1. 筒状の主体金具と、
   軸線方向に沿った軸孔を備えるとともに、前記主体金具の内側に保持される絶縁体と、
   前記軸孔の先端側に配置される中心電極と、
   一端側が前記主体金具に接合されるとともに、前記軸線方向に対して傾斜して配置される傾斜部が他端側に設けられ、前記傾斜部が前記中心電極の先端部と対向して配置される接地電極と、
   前記傾斜部のうちの前記中心電極側の面に接合されるとともに、前記中心電極と対向する放電面を有する貴金属チップと、
   を備え、
   前記中心電極の先端部において前記放電面に最も近い位置に配置されるエッジ部と、前記貴金属チップの前記放電面との間で間隙が形成されたスパークプラグであって、
   前記中心電極の先端部と前記接地電極とが前記軸線方向と直交する向きで対向する方向を対向方向とし、前記対向方向と直交する仮想平面に前記エッジ部及び前記放電面を投影したとき、前記放電面の投影領域内に前記エッジ部が投影される
   スパークプラグ。
2. 前記貴金属チップは、前記放電面において前記エッジ部から最短距離となる位置が前記放電面の輪郭線よりも内側となるように配置される
   請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 前記貴金属チップは、前記放電面において前記エッジ部から最短距離となる位置が前記放電面の中心位置よりも前記軸線方向において先端側となるように配置される
   請求項１又は請求項２に記載のスパークプラグ。

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