JP2020177743A - 点火プラグ - Google Patents

Abstract

【課題】キャップ部の内側から貫通孔へ向かう火炎伝播速度を速くできる点火プラグを提供すること。【解決手段】点火プラグは、中心電極と、中心電極を外周から絶縁保持する主体金具と、中心電極と自身の一端部との間に火花ギャップを形成する接地電極と、主体金具に接続され、中心電極と接地電極の一端部とを先端側から覆うと共に、接地電極よりも先端側に貫通孔が形成されたキャップ部と、を備え、キャップ部の内面のうち貫通孔の内側開口端よりも先端側の第１領域に、少なくとも１つの段が形成される。【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの燃焼室に副室を形成する点火プラグに関するものである。

エンジンの燃焼室に副室を形成する点火プラグが知られている。この種の点火プラグは主体金具に接続されたキャップ部に貫通孔が形成される。燃焼室に露出したキャップ部は燃焼室に副室を形成する。点火プラグは、燃焼室から貫通孔を通ってキャップ部の内側に流入した可燃混合気に点火し、可燃混合気の燃焼によって生じる膨張圧力により、火炎を含むガス流を貫通孔から燃焼室に噴射する。その火炎の噴流によって燃焼室内の可燃混合気が燃焼する。特許文献１（特に図２６）に開示される点火プラグは、後端側に向かうにつれて副室の断面積を段階的に大きくするために、キャップ部の内面のうち貫通孔より後端側の領域に段が形成されている。

特開２００６−１４４６４８号公報

しかし、特許文献１に開示の技術では、燃焼室から貫通孔を通ってキャップ部に可燃混合気が流入すると、燃焼室に露出するキャップ部は可燃混合気によって冷やされる。特にキャップ部の先端側の部位はキャップ部の後端側の部位に比べて温度が低くなる。その結果、キャップ部の内部の先端側に存在する可燃混合気の温度が低くなるので、キャップ部の先端近くにおいて、可燃混合気の温度低下に依存して火炎伝播速度が低下する。キャップ部の内側から貫通孔へ向かう火炎伝播速度が低下すると、燃焼室内の燃焼速度に悪影響を与えるという問題点がある。

本発明はこの問題点を解決するためになされたものであり、キャップ部の内側から貫通孔へ向かう火炎伝播速度を速くできる点火プラグを提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明の点火プラグは、中心電極と、中心電極を外周から絶縁保持する主体金具と、中心電極と自身の一端部との間に火花ギャップを形成する接地電極と、主体金具に接続され、中心電極と接地電極の一端部とを先端側から覆うと共に、接地電極よりも先端側に貫通孔が形成されたキャップ部と、を備え、キャップ部の内面のうち貫通孔の内側開口端よりも先端側の第１領域に、少なくとも１つの段が形成される。

請求項１記載の点火プラグによれば、少なくとも１つの段が形成される第１領域が、キャップ部の内面のうち貫通孔の内側開口端よりも先端側に設けられるので、第１領域に段が無い場合に比べて、第１領域近くの可燃混合気の流れを乱すことができる。可燃混合気の流れの乱れの強さが火炎伝播の高速化に与える影響は、可燃混合気の温度が火炎伝播速度に与える影響よりも大きいので、可燃混合気の温度低下に関わらず火炎伝播を速くできる。よって、キャップ部の内側から貫通孔へ向かう火炎伝播速度を速くできる。

請求項２記載の点火プラグによれば、段の一つの大きさは、内面の周方向における長さが、内面の軸線方向における長さよりも長いので、燃焼室から貫通孔を通ってキャップ部の内側に流入した可燃混合気が、第１領域に沿って軸線方向へ流れるときに乱流を生じ易くできる。よって、請求項１の効果に加え、火炎伝播速度をより速くできる。

請求項３記載の点火プラグによれば、段はキャップ部の内面の全周に亘って連続しているので、キャップ部の内面の全周の一部に段が設けられている場合に比べ、乱流をより生じ易くできる。よって、請求項１又は２の効果に加え、火炎伝播速度をより速くできる。

請求項４記載の点火プラグによれば、段は、キャップ部の内面のうち、接地電極よりも先端側、且つ、内側開口端よりも後端側の第２領域にさらに形成されるので、燃焼室から貫通孔を通ってキャップ部の内側に流入した可燃混合気が、第２領域に沿って後端側へ流れるときに乱流を生じ易くできる。また、火炎を含むガス流が第２領域に沿って先端側へ流れるときにも乱流を生じ易くできる。よって、請求項１から３のいずれかの効果に加え、火炎伝播速度をより速くできる。

一実施の形態における点火プラグの部分断面図である。 図１のＩＩで示す部分を拡大した点火プラグの断面図である。 図２のＩＩＩで示す部分を拡大した点火プラグの断面図である。 図２の矢印ＩＶ方向から見た第１領域の模式的な平面図である。 図２のＶで示す部分を拡大した点火プラグの断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は一実施の形態における点火プラグ１０の部分断面図である。図１では、紙面下側を点火プラグ１０の先端側、紙面上側を点火プラグ１０の後端側という（図２においても同じ）。図１には、点火プラグ１０の先端側の部位の軸線Ｏを含む断面が図示されている。図１に示すように点火プラグ１０は、絶縁体１１、中心電極１３、主体金具２０、接地電極３０及びキャップ部４０を備えている。

絶縁体１１は、軸線Ｏに沿う軸孔１２が形成された略円筒状の部材であり、機械的特性や高温下の絶縁性に優れるアルミナ等のセラミックスにより形成されている。絶縁体１１の軸孔１２の先端側には中心電極１３が配置されている。中心電極１３は、軸孔１２内で端子金具１４と電気的に接続されている。端子金具１４は、高圧ケーブル（図示せず）が接続される棒状の部材であり、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成されている。端子金具１４は絶縁体１１の後端に固定されている。

主体金具２０は、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成された略円筒状の部材である。主体金具２０は、外周面におねじ２１が形成される先端部２２と、先端部２２の後端側に隣接する座部２３と、座部２３の後端側に形成される工具係合部２４と、を備えている。おねじ２１はエンジン１のねじ穴２に螺合する。座部２３は、エンジン１のねじ穴２とおねじ２１との隙間を塞ぐための部位であり、おねじ２１の外径よりも外径が大きく形成されている。工具係合部２４は、エンジン１のねじ穴２におねじ２１を締め付けるときに、レンチ等の工具が係合する。

接地電極３０は、Ｎｉ等を主成分とする金属材料によって形成された棒状の部材である。本実施形態では接地電極３０はおねじ２１の位置に配置されており、先端部２２を貫通して先端部２２の内側に突き出ている。接地電極３０は一端部３１が中心電極１３に対向している。主体金具２０の先端部２２にはキャップ部４０が接続されている。

キャップ部４０は、中心電極１３及び接地電極３０の一端部３１を先端側から覆う部位である。キャップ部４０は、Ｎｉ等を主成分とする金属材料によって形成されている。キャップ部４０には、接地電極３０よりも先端側に貫通孔４１が形成されている。おねじ２１によってエンジン１のねじ穴２に点火プラグ１０が取り付けられた状態で、キャップ部４０はエンジン１の燃焼室３に露出する。貫通孔４１は、主体金具２０とキャップ部４０とに囲まれてできる副室４２と燃焼室３とを連通する。本実施形態では、貫通孔４１はキャップ部４０に複数形成されている。

図２は図１のＩＩで示す部分を拡大した点火プラグ１０の軸線Ｏを含む断面図である。主体金具２０の先端部２２には、おねじ２１の部位に、径方向の内側に向けて凹む凹部２５が形成されている。先端部２２には、凹部２５の径方向の内側に凹部２５よりも細い穴２６が形成されている。穴２６は先端部２２を径方向に貫通する。穴２６に挿入された接地電極３０の他端部３２は、溶接部２７により先端部２２に接合されている。接地電極３０の一端部３１は中心電極１３との間に火花ギャップ３３を形成する。接地電極３０は主体金具２０のおねじ２１の部位に接合されているので、接地電極３０の熱は、おねじ２１からエンジン１に伝わる。

キャップ部４０の外面４３には貫通孔４１によって外側開口端４７が形成され、キャップ部４０の内面４４には貫通孔４１によって内側開口端４８が形成されている。貫通孔４１の内側開口端４８は、接地電極３０の一端部３１よりも先端側に位置する。貫通孔４１は、内側開口端４８から外側開口端４７へ近づくにつれて先端側へ向かって傾斜している。本実施形態では、複数の貫通孔４１の内側開口端４８の後端４９は、全てが、軸線Ｏに垂直な平面５０上に位置する。キャップ部４０は溶接部５１を介して主体金具２０の先端部２２に接合されている。

キャップ部４０の内面４４は、貫通孔４１の内側開口端４８よりも先端側の第１領域４５、及び、第１領域４５よりも後端側の第２領域４６に区画される。第１領域４５は、キャップ部４０の内面４４のうち、キャップ部４０を平面５０で切断したときの切り口よりも先端側の部位である。第２領域４６は、キャップ部４０の内面４４のうち、キャップ部４０を平面５０で切断したときの切り口よりも後端側の部位である。第１領域４５は球冠状に形成され、第２領域４６は円筒状ないしは球帯状に形成されている。第１領域４５には、円形の平面をなす先端面４５ａが含まれる。

図３は図２のＩＩＩで示す部分を拡大した点火プラグ１０の断面図である。図３に示すように、キャップ部４０の第１領域４５には段５２が形成されている。段５２は第１領域４５に複数存在する。

図４は図２の矢印ＩＶ方向から見た第１領域４５の模式的な平面図である。図４では第１領域４５のうち先端面４５ａを中心とする部位が図示されており、その周辺の部位の図示が省略されている。図４に示すように第１領域４５に形成された段５２は、第１領域４５のうち先端面４５ａの周囲に設けられており、円形の先端面４５ａに沿って周方向に延びている。段５２の一つの大きさは、第１領域４５の周方向における長さが、第１領域４５の軸線方向における長さよりも長い。第１領域４５は径方向および軸線方向に広がりをもつので、第１領域４５の軸線方向における段５２の長さは、第１領域４５の径方向における長さということもできる。

本実施形態では、段５２の各々は軸線Ｏを中心とする円弧状に形成されており、各々の段５２が互いに周方向につながることにより、段５２は第１領域４５の全周に亘って連続している。但し図４は模式図なので、円弧状の段５２は、周方向につながっている部分の図示が省略されている。第１領域４５の全周に亘って連続する複数の段５２は、軸線Ｏを中心とする同心円状に設けられている。同心円状の複数の段５２は、互いに第１領域４５の径方向に隣接している。段５２は、第１領域４５のうち先端面４５ａを除く領域の全体に形成されている。

図３に戻って説明する。第１領域４５の表面の断面曲線５３は、先端側（図３下側）へ向かうにつれて径方向の内側（図３右側）に行く傾向を示す。断面曲線５３は、軸線Ｏを含む平面（図３紙面）と第１領域４５との交線である。但し、断面曲線５３の全てが、先端側へ向かうにつれて径方向の内側に向かうように傾斜している必要はない。しかし、断面曲線５３の少なくとも一部はそのように傾斜している。断面曲線５３は、例えば光を使った非接触式表面粗さ測定機を用い、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２０１３に準拠して第１領域４５の表面性状を検出し、得られた曲線の短波長成分や長波長成分を遮断するフィルタを通して得られる。

段５２の高さＨ及び長さＴは断面曲線５３から求められる。段５２の高さＨは、断面曲線５３の一つの段５２の隣り合う谷５４を結ぶ線分５５とその段５２の頂５６との間の距離である。段５２の長さＴは線分５５の長さである。段５２の高さＨ及び長さＴは適宜設定されるが、例えば段５２は２〜１０μｍの範囲の高さＨがあり、１０〜５０μｍの範囲の長さＴがあるように作られる。段５２の高さＨ及び長さＴがこの範囲にあると、第１領域４５の径方向（軸線方向）に沿って流れるガスの乱れをより強くできるので好ましい。

図５は図２のＶで示す部分を拡大した点火プラグ１０の断面図である。図５に示すように、キャップ部４０の第２領域４６にも、周方向に延びる段５７が形成されている。段５７は第２領域４６に複数存在する。段５７の一つの大きさは、第２領域４６の周方向における長さが、第２領域４６の軸線方向における長さよりも長い。

本実施形態では、段５７の各々は軸線Ｏを中心とする円弧状に形成されており、各々の段５７が互いに周方向につながることにより、段５７は第２領域４６の全周に亘って連続している。第２領域４６の全周に亘って連続する複数の段５７は、軸線Ｏを中心とする同心円状に設けられている。同心円状の複数の段５７は、互いに第２領域４６の軸線方向に隣接している。段５７は第２領域４６の全体に形成されている。

第２領域４６の表面の断面曲線５８は、先端側（図５下側）へ向かうにつれて径方向の内側（図５右側）に行く傾向を示す。断面曲線５８は、軸線Ｏを含む平面（図５紙面）と第２領域４６との交線である。但し、断面曲線５８の全てが、先端側へ向かうにつれて径方向の内側に向かうように傾斜している必要はない。しかし、断面曲線５８の少なくとも一部はそのように傾斜している。断面曲線５８は、第１領域４５の断面曲線５３と同様にして得られる。

断面曲線５８から求められる段５７の高さＨ及び長さＴ（図示せず）は、第１領域４５における段５２と同様に適宜設定される。例えば、段５７は２〜１０μｍの範囲の高さＨがあり、１０〜５０μｍの範囲の長さＴがあるように作られる。段５７の高さＨ及び長さＴがこの範囲にあると、第２領域４６の軸線方向に沿って流れるガスの乱れをより強くできるので好ましい。

段５２，５７は、例えばキャップ部４０を作るためのワークを旋盤等の主軸と共に回転させ、往復台上にある刃物をワークに当て、刃物を左右前後に動かしてキャップ部４０の内面４４を切削で作るときに、主軸の回転軸を中心に作られる。主軸の回転軸に垂直に交わる先端面４５ａには、段５２は形成されていない。刃物を動かす速度に応じて段５２，５７の軸線方向や周方向の長さを調整できる。キャップ部４０の内面４４に段５２，５７が形成された後、切削などによりキャップ部４０に貫通孔４１が形成される。

なお、段５２，５７を作る手段として刃物を使った切削は一例であり、他の手段を用いて段５２，５７を形成することは当然可能である。他の手段としては、例えばキャップ部４０の内面４４にレーザビームを照射しつつアシストガスを吹き付けて溶融物を除去するレーザ加工が挙げられる。また、段５２，５７が形成されたキャップ部４０を粉末冶金により製造することも可能である。

エンジン１（図１参照）に取り付けられた点火プラグ１０には、エンジン１のバルブ操作により、燃焼室３から貫通孔４１を通ってキャップ部４０の内側に可燃混合気が流入する。キャップ部４０に流入した可燃混合気の流れは乱流である。点火プラグ１０は、中心電極１３と接地電極３０との間の放電により、火花ギャップ３３に火炎核を生成する。火炎核が成長するとキャップ部４０の内側の可燃混合気に点火し可燃混合気が燃焼する。その燃焼によって生じる膨張圧力により、点火プラグ１０は火炎を含むガス流を貫通孔４１から燃焼室３に噴射する。その火炎の噴流によって燃焼室３内の可燃混合気が燃焼する。

燃焼室３から貫通孔４１を通ってキャップ部４０の内側に可燃混合気が流入すると、燃焼室３に露出するキャップ部４０は可燃混合気によって冷やされ、キャップ部４０の先端側の部位は、熱源となる絶縁体１１が近くに位置するキャップ部４０の後端側の部位に比べて温度が低くなる。その結果、キャップ部４０の内側の先端側に存在する可燃混合気の温度が低くなるので、キャップ部４０の内側では先端近くにおいて、可燃混合気の温度低下に依存して火炎伝播速度が低下するおそれがある。

しかし、少なくとも１つの段５２が形成される第１領域４５が、キャップ部４０の内面４４のうち貫通孔４１の内側開口端４８よりも先端側に設けられるので、可燃混合気が第１領域４５に沿って流れると、第１領域４５に段が無い場合に比べて、可燃混合気の流れを乱すことができる。可燃混合気の流れは、可燃混合気がキャップ部４０に流入するときもキャップ部４０から流出するときも第１領域４５によって乱される。可燃混合気の流れの乱れの強さが火炎伝播の高速化に与える影響は、可燃混合気の温度が火炎伝播速度に与える影響よりも大きいので、可燃混合気の温度低下に関わらず火炎伝播を速くできる。よって、キャップ部４０の内側から貫通孔４１へ向かう火炎伝播速度を速くできる。その結果、燃焼室３内の可燃混合気を急速に燃焼させることができる。

点火プラグ１０の段５２の一つの大きさは、内面４４の周方向における長さが、内面４４の軸線方向における長さよりも長いので、燃焼室３から貫通孔４１を通ってキャップ部４０の内側に流入した可燃混合気が、第１領域４５に沿って軸線方向（径方向）へ流れるときに段５２に接触する機会が増えるので、乱流を生じ易くできる。よって、火炎伝播速度をより速くできる。

段５２はキャップ部４０の内面４４の全周に亘って連続しているので、キャップ部４０の内面４４の全周の一部に段が設けられている場合に比べ、第１領域４５に沿って軸線方向（径方向）へ可燃混合気が流れるときに段５２に接触する機会が増えるので、乱流をより生じ易くできる。よって、火炎伝播速度をより速くできる。

段５７は、キャップ部４０の内面４４のうち、接地電極３０よりも先端側、且つ、内側開口端４８よりも後端側の第２領域４６にさらに形成されるので、燃焼室３から貫通孔４１を通ってキャップ部４０の内側に流入した可燃混合気が、第２領域４６に沿って後端側へ流れるときにも乱流を生じ易くできる。また、火炎を含むガス流が第２領域４６に沿って先端側へ流れるときにも乱流を生じ易くできる。よって、内側開口端４８よりも後端側の段５７により火炎伝播速度をさらに速くできる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。例えばキャップ部４０の形状や貫通孔４１の数や形状、大きさ、段５２，５７の高さＨや長さＴ等は一例であり、これらは適宜設定できる。

実施形態では、主体金具２０にキャップ部４０が溶接される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、先端が閉じた筒状部材を主体金具２０の先端部２２に接続し、筒状部材の先端部をキャップ部にすることは当然可能である。筒状部材は、主体金具２０の先端部２２の外周を取り囲むように配置される。筒状部材の外周面に形成されたおねじが、エンジン１のねじ穴２に螺合する。

主体金具２０の先端部２２に筒状部材（キャップ部）を接続する手段としては、例えば筒状部材の内周面にめねじを形成し、先端部２２に形成されたおねじ２１にめねじを接合することができる。また、筒状部材の後端部と主体金具２０の座部２３とを溶接等によって接合することができる。さらに、筒状部材の後端部にフランジを形成し、主体金具２０の座部２３とフランジとを溶接等によって接合することができる。筒状部材は、例えば、ニッケル基合金等の金属材料や窒化ケイ素等のセラミックスにより形成できる。

実施形態では、主体金具２０の先端部２２を貫通する接地電極３０を、おねじ２１の位置に設ける場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、主体金具２０の先端部２２の先端面が露出するようにキャップ部を配置して、先端部２２の先端面に接地電極を接続することは当然可能である。接地電極の形状は直線状であっても屈曲していても良い。キャップ部に接地電極を接合しても良い。

実施形態では、貫通孔４１の内側開口端４８が、軸線Ｏを含む平面でキャップ部４０を切断した切り口に現出する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。貫通孔の内側開口端が軸線Ｏを含む断面に現出しないように、軸線Ｏに対する内側開口端の位置をずらして、キャップ部４０に貫通孔を設けることは当然可能である。この場合、貫通孔の内側開口端の位置は、軸線Ｏに平行な平面でキャップ部４０を切断した切り口を作り、その切り口に現出する内側開口端に基づいて特定できる。そこで特定された貫通孔の内側開口端の位置に基づいて、第１領域４５及び第２領域４６が特定される。

実施形態では、接地電極３０の一端部３１が中心電極１３の先端側に配置され、中心電極１３の先端側に火花ギャップ３３が形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、中心電極１３の側面と離隔して接地電極３０の一端部３１を配置し、中心電極１３の側面と接地電極３０の一端部３１との間に火花ギャップ３３を形成することは当然可能である。また、接地電極３０を複数配置して火花ギャップ３３を複数設けることは当然可能である。

実施形態では、複数の貫通孔４１の内側開口端４８の後端４９の全てが、軸線Ｏに垂直な平面５０上に位置する場合、即ち複数の内側開口端４８の後端４９の軸線方向における位置が同じ場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。複数の内側開口端４８の後端４９の軸線方向における位置を異ならせることは当然可能である。複数の内側開口端４８の後端４９の軸線方向における位置が異なる場合、第１領域４５は、キャップ部４０の内面４４のうち、複数の内側開口端４８の後端４９のうち最も後端側に位置する後端４９を通る、軸線Ｏに垂直な平面でキャップ部４０を切断したときの切り口よりも先端側の部位である。第２領域４６は、キャップ部４０の内面４４のうち第１領域４５よりも後端側の部位である。

実施形態では、段５２は第１領域４５のうち先端面４５ａを除く領域の全体に形成され、段５７は第２領域４６の全体に形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。第１領域４５の一部に段５２を形成したり、第２領域４６の一部に段５７を形成したりすることは当然可能である。

実施形態では、段５２，５７の各々が軸線Ｏを中心とする円弧状に形成されており、各々の段５２，５７が互いに周方向につながることにより、段５２が第１領域４５の全周に亘って連続し、段５７が第２領域４６の全周に亘って連続する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば段５２，５７をキャップ部４０の内面４４の周の一部に設けたり、段５２，５７を螺線（渦巻線）にしたりすることは当然可能である。

段５２，５７を切削で作る場合、ワークを主軸と共にゆっくり回転させ、刃物をワークに当てながら刃物を左右前後にゆっくり動かすと、段５２，５７を螺線にできる。螺線による段５２が第１領域４５に切れ目なく続いている場合、段５２は一つであり、螺線による段５７が第２領域４６に切れ目なく続いている場合、段５７は一つである。螺線による段５２を第１領域４５に複数設けたり、螺線による段５７を第２領域４６に複数設けたりすることは当然可能である。螺線による段５２，５７を複数設ける場合、段５２，５７の螺線の１ピッチ間に螺線を設けたり、螺線同士を周方向に離隔して設けたりすることができる。

実施形態では、第２領域４６に段５７が形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。第２領域４６の段５７を省略することは当然可能である。

１０ 点火プラグ
１３ 中心電極
２０ 主体金具
３０ 接地電極
３１ 接地電極の一端部
３３ 火花ギャップ
４０ キャップ部
４１ 貫通孔
４４ キャップ部の内面
４５ 第１領域
４６ 第２領域
４８ 内側開口端
５２，５７ 段
Ｏ 軸線

Claims (4)

1. 中心電極と、
   前記中心電極を外周から絶縁保持する主体金具と、
   前記中心電極と自身の一端部との間に火花ギャップを形成する接地電極と、
   前記主体金具に接続され、前記中心電極と前記接地電極の一端部とを先端側から覆うと共に、前記接地電極よりも先端側に貫通孔が形成されたキャップ部と、を備える点火プラグであって、
   前記キャップ部の内面のうち前記貫通孔の内側開口端よりも先端側の第１領域に、少なくとも１つの段が形成される点火プラグ。
2. 前記段の一つの大きさは、前記内面の周方向における長さが、前記内面の軸線方向における長さよりも長い請求項１記載の点火プラグ。
3. 前記段は、前記内面の全周に亘って連続している請求項１又は２に記載の点火プラグ。
4. 前記段は、前記キャップ部の前記内面のうち、前記接地電極よりも先端側、且つ、前記内側開口端よりも後端側の第２領域にさらに形成される請求項１から３のいずれかに記載の点火プラグ。

Images