JP2022029128A

JP2022029128A - スパークプラグ

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Publication number: JP2022029128A
Application number: JP2020132295A
Authority: JP
Inventors: 大輔三島; Daisuke Mishima
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2020-08-04
Filing date: 2020-08-04
Publication date: 2022-02-17
Anticipated expiration: 2040-08-04
Also published as: CN114868315A; US11637412B2; US20230062977A1; WO2022030072A1; DE112021004214T5; CN114868315B; JP7316253B2

Abstract

【課題】接地電極の過度な温度上昇を抑制してプレイグニッションの発生を抑制する。
【解決手段】軸線方向に延びる軸孔が形成された絶縁体と、軸孔の軸線方向の先端に配置され自身の先端部が軸孔の先端側に突出する中心電極と、絶縁体を保持する筒状の主体金具と、一端部が主体金具に設けられた貫通孔に固定され他端部が中心電極の先端部との間で放電ギャップを形成する接地電極と、を備えるスパークプラグであって、貫通孔は、主体金具の外周面から内周面に向かうにつれて軸線方向の先端側に向かって延びており、軸線方向において一端部は他端部よりも後端側に位置する。
【選択図】図２

Description

本開示は、スパークプラグに関する。

内燃機関に用いる点火用のスパークプラグとして、エンジンヘッドに取り付けられて、中心電極の先端と接地電極との間で火花放電を発生させるスパークプラグが知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載のスパークプラグでは、主体金具に厚み方向に貫通する貫通孔が形成されており、径方向に沿って延びる棒状の接地電極が、かかる貫通孔に圧入されている。

特開２０１９－０４６６６０号公報

特許文献１に記載のスパークプラグにおいて、接地電極は、混合気の燃焼によって高温状態となるため、プレイグニッションの起点となるおそれがある。このため、主体金具に形成された貫通孔に接地電極が挿入されるスパークプラグにおいて、接地電極の過度な温度上昇を抑制してプレイグニッションの発生を抑制可能な技術が求められていた。

本開示は、以下の形態として実現することができる。

（１）本開示の一形態によれば、スパークプラグが提供される。このスパークプラグは、軸線方向に延びる軸孔が形成された絶縁体と、前記軸孔の前記軸線方向の先端に配置され、自身の先端部が前記軸孔の先端側に突出する中心電極と、前記絶縁体を保持する筒状の主体金具と、一端部が前記主体金具に設けられた貫通孔に固定され、他端部が前記中心電極の前記先端部との間で放電ギャップを形成する接地電極と、を備えるスパークプラグであって、前記貫通孔は、前記主体金具の外周面から内周面に向かうにつれて、前記軸線方向の先端側に向かって延びており、前記軸線方向において、前記一端部は、前記他端部よりも後端側に位置することを特徴とする。この形態のスパークプラグによれば、主体金具に設けられた貫通孔が、主体金具の外周面から内周面に向かうにつれて軸線方向の先端側に向かって延びており、軸線方向において接地電極の一端部は他端部よりも後端側に位置するので、接地電極の一端部の位置をエンジンヘッドに近づけることができる。一般に、エンジンヘッドの温度は接地電極の温度よりも低いため、接地電極の一端部の位置をエンジンヘッドに近づけることにより、接地電極の熱引き性を向上できる。このため、混合気の燃焼に曝されて高温状態となる接地電極において、過度な温度上昇を抑制できるので、接地電極がプレイグニッションの起点となることを抑制できる。すなわち、接地電極の過度な温度上昇を抑制してプレイグニッションの発生を抑制できる。

（２）上記形態のスパークプラグにおいて、前記軸線方向において、前記貫通孔のうち前記主体金具の外周面における開口の後端は、前記絶縁体の先端よりも後端側に位置していてもよい。この形態のスパークプラグによれば、軸線方向において、貫通孔のうち主体金具の外周面における開口の後端が絶縁体の先端よりも後端側に位置するので、接地電極の一端部を、軸線方向においてより後端側に位置させることができる。この結果、接地電極の一端部の位置をエンジンヘッドにより近づけることができる。このため、接地電極の過度な温度上昇をより抑制できるので、プレイグニッションの発生をより抑制できる。

（３）上記形態のスパークプラグにおいて、前記接地電極は、前記一端部から前記他端部へと向かうほど軸線に近づいて延設され、前記中心電極の前記先端部は、前記接地電極の延設方向と略平行な平行面を有し、前記平行面において前記他端部との間で前記放電ギャップを形成してもよい。この形態のスパークプラグによれば、中心電極の先端部が、接地電極の延設方向と略平行な平行面を有し、平行面において他端部との間で放電ギャップを形成するので、互いに平行な２つの面の間で火花放電を発生させることができる。このため、火花放電の起点の位置が一点に集中することを抑制できるので、火花放電に伴って接地電極の他端部が削られることを抑制できる。この結果、スパークプラグの使用に伴い放電ギャップの寸法が変わることを抑制できるので、スパークプラグの長寿命化を図ることができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、スパークプラグの製造方法、スパークプラグが取り付けられたエンジンヘッド等の態様で実現することができる。

スパークプラグの概略構成を示す部分断面図。スパークプラグの要部の構成を模式的に示す断面図。比較例のスパークプラグの要部の構成を模式的に示す断面図。第２実施形態のスパークプラグの要部の構成を模式的に示す断面図。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本開示の一実施形態としてのスパークプラグ１００の概略構成を示す部分断面図である。図１では、スパークプラグ１００の軸心である軸線ＣＡを境界として、紙面右側にスパークプラグ１００の外観形状を示し、紙面左側にスパークプラグ１００の断面形状を示している。以下の説明では、軸線ＣＡに沿った図１の下方側（後述する接地電極４０が配置されている側）を先端側と呼び、図１の上方側（後述する端子金具５０が配置されている側）を後端側と呼び、軸線ＣＡに沿った方向を軸線方向ＡＤと呼ぶ。図１では、説明の便宜上、スパークプラグ１００が取り付けられるエンジンヘッド９０を破線で示している。エンジンヘッド９０には、一般に、冷却媒体を循環させる図示しない冷媒流路が設けられている。スパークプラグ１００は、その先端部が燃焼室９５内に露出するようにエンジンヘッド９０に取り付けられている。本実施形態のスパークプラグ１００は、後述する副燃焼室９６が形成されたプレチャンバープラグとして構成されている。

スパークプラグ１００は、絶縁体１０と、中心電極２０と、主体金具３０と、接地電極４０と、端子金具５０と、カバー７０とを備える。なお、スパークプラグ１００の軸線ＣＡは、絶縁体１０と中心電極２０と主体金具３０と端子金具５０とカバー７０との各部材の軸線と一致する。

絶縁体１０は、軸線方向ＡＤに延びる軸孔１１が形成された略筒状の外観形状を有する。軸孔１１には、先端側において中心電極２０の一部が配置され、後端側において端子金具５０の一部が配置される。絶縁体１０は、軸孔１１内において中心電極２０を保持する。絶縁体１０は、先端側の部分が後述する主体金具３０の軸孔３１に収容され、後端側の部分が軸孔３１から露呈している。絶縁体１０は、アルミナ等のセラミック材料を焼成して形成された絶縁碍子により構成されている。

中心電極２０は、軸線方向ＡＤに沿って延びる棒状の電極である。中心電極２０の先端部２１は、軸孔１１の先端側に突出している。先端部２１には、例えばイリジウム合金等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。

絶縁体１０の軸孔１１内において、中心電極２０と端子金具５０との間には、先端側から後端側へと向かって順番に、先端側シール材６１と、抵抗体６２と、後端側シール材６３とが配置されている。このため、中心電極２０は、後端側において、先端側シール材６１と、抵抗体６２と、後端側シール材６３とを介して、端子金具５０と電気的に接続されている。

抵抗体６２は、セラミック粉末と導電材とガラスとを材料として形成されている。抵抗体６２は、端子金具５０と中心電極２０との間における電気抵抗として機能することにより、火花放電を発生させる際のノイズの発生を抑制する。先端側シール材６１と後端側シール材６３とは、それぞれ導電性のガラス粉末を材料として形成されている。本実施形態において、先端側シール材６１および後端側シール材６３は、銅粉末とホウケイ酸カルシウムガラス粉末とを混合した粉末を材料として形成されている。

主体金具３０は、軸線方向ＡＤに沿って軸孔３１が形成された略筒状の外観形状を有し、軸孔３１内において絶縁体１０を保持する。主体金具３０は、例えば低炭素鋼により形成され、ニッケルめっきや亜鉛めっき等のめっき処理が全体に施されている。主体金具３０の外周には、工具係合部３２と、雄ネジ部３３とが形成されている。工具係合部３２は、スパークプラグ１００をエンジンヘッド９０に取り付ける際に、図示しない工具と係合する。雄ネジ部３３は、主体金具３０の先端部において外周面にねじ山が形成されており、エンジンヘッド９０の雌ネジ部９３にねじ込まれる。

図２は、スパークプラグ１００の要部の構成を模式的に示す断面図である。図２では、スパークプラグ１００の軸線方向ＡＤの先端付近の断面を拡大して示している。主体金具３０の軸線方向ＡＤの先端には、後述するカバー７０が固定されている。主体金具３０において軸線方向ＡＤの先端側の端部には、主体金具３０の板厚を貫通する貫通孔３５が形成されている。すなわち、貫通孔３５は、主体金具３０の外周面３６と内周面３７とを連通させている。貫通孔３５は、主体金具３０の外周面３６から内周面３７に向かうにつれて、軸線方向ＡＤの先端側に向かって延びている。換言すると、貫通孔３５は、主体金具３０の径方向の外側から内側へと向かうにつれて、軸線方向ＡＤの後端側から先端側へと向かって形成されている。本実施形態では、軸線方向ＡＤにおいて、貫通孔３５のうち主体金具３０の外周面３６における開口の後端３８は、絶縁体１０の先端１２よりも後端側に位置している。貫通孔３５には、接地電極４０が挿入されて固定されている。

接地電極４０は、棒状の金属部材により構成されており、中心電極２０の先端部２１と対向して配置されている。本実施形態の接地電極４０は、中心電極２０と同様に、ニッケルを主成分とするニッケル合金により形成されている。接地電極４０は、スパークプラグ１００の径方向の外側から内側へと向かうにつれて、軸線方向ＡＤの後端側から先端側へと向かって延設されている。以下の説明では、接地電極４０が延設されている方向を、延設方向ＥＤとも呼ぶ。

接地電極４０の一端部４１は、主体金具３０に設けられた貫通孔３５に固定されており、接地電極４０の他端部４２は、中心電極２０の先端部２１との間で、火花放電のための放電ギャップＧを形成する。軸線方向ＡＤにおいて、一端部４１は、他端部４２よりも後端側に位置している。延設方向ＥＤにおいて、一端部４１は、他端部４２よりも後端側に位置している。

本実施形態において、接地電極４０は、スパークプラグ１００の径方向外側から貫通孔３５に圧入されて固定されている。なお、接地電極４０は、圧入に代えて、または圧入に加えて、溶接等の任意の方法により貫通孔３５に固定されていてもよい。また、接地電極４０は、スパークプラグ１００の径方向内側から貫通孔３５に挿入されて固定されていてもよい。

図１に示すように、端子金具５０は、スパークプラグ１００の後端側の端部に設けられている。端子金具５０の先端側は、絶縁体１０の軸孔１１に収容され、端子金具５０の後端側は、軸孔１１から露呈している。端子金具５０には、図示しない高圧ケーブルが接続され、高電圧が印加される。この印加により、放電ギャップＧに火花放電が発生する。放電ギャップＧに発生した火花は、混合気を着火させる。

カバー７０は、有底筒状の外観形状を有し、主体金具３０の軸線方向ＡＤの先端に固定されている。カバー７０は、中心電極２０の先端部２１と接地電極４０の他端部４２とによって形成される放電ギャップＧを軸線方向ＡＤの先端側から覆うことにより、副燃焼室９６を形成している。すなわち、カバー７０は、自身の内部に副燃焼室９６を形成している。本実施形態における副燃焼室９６は、絶縁体１０と中心電極２０の先端部２１と主体金具３０とカバー７０とによって囲まれた空間である。本実施形態において、カバー７０は、主体金具３０の先端に溶接されて固定されているが、これに限らず、例えば、圧入や螺合等の任意の方法により主体金具３０と固定されていてもよい。

図２に示すように、カバー７０には、板厚を貫通する複数の噴孔７１が形成されている。このため、噴孔７１は、燃焼室９５と副燃焼室９６とを連通させる。燃焼室９５内の混合気は、噴孔７１を介して副燃焼室９６内に流入し、副燃焼室９６内の放電ギャップＧで発生した火花により着火する。着火の際に発生する火炎は、噴孔７１を介して燃焼室９５へと噴出される。

以上説明した本実施形態のスパークプラグ１００によれば、主体金具３０に形成された貫通孔３５が、主体金具３０の外周面３６から内周面３７に向かうにつれて軸線方向ＡＤの先端側に向かって延びており、軸線方向ＡＤにおいて接地電極４０の一端部４１が他端部４２よりも後端側に位置している。このため、貫通孔３５に固定された接地電極４０の一端部４１の位置をエンジンヘッド９０に近づけることができる。ここで、一般に、エンジンヘッド９０には冷媒流路が設けられており、エンジンヘッド９０の温度は接地電極の温度よりも低い傾向にある。このため、接地電極４０の一端部４１の位置をエンジンヘッド９０に近づけることにより、接地電極４０の熱引き性を向上できる。このように、混合気の燃焼に曝されて高温状態となる接地電極４０において、過度な温度上昇を抑制できるので、接地電極４０がプレイグニッションの起点となることを抑制できる。すなわち、接地電極４０の過度な温度上昇を抑制してプレイグニッションの発生を抑制できる。

また、軸線方向ＡＤにおいて、貫通孔３５のうち主体金具３０の外周面３６における開口の後端３８が、絶縁体１０の先端１２よりも後端側に位置している。このため、接地電極４０の一端部４１を、軸線方向ＡＤにおいてより後端側に位置させることができるので、接地電極４０の一端部４１の位置をエンジンヘッド９０により近づけることができる。この結果、接地電極４０の過度な温度上昇をより抑制できるので、プレイグニッションの発生をより抑制できる。

また、接地電極４０が主体金具３０に設けられた貫通孔３５に圧入固定されているので、屈曲した外観形状を有する接地電極が主体金具の先端面に溶接される構成と比較して、溶接部分において熱伝導率が局所的に低い箇所が生じることを抑制できる。この結果、接地電極４０の熱引き性を向上できるので、接地電極４０の温度上昇に起因するプレイグニッションの発生をより抑制できる。

また、本実施形態のスパークプラグ１００は、副燃焼室９６が形成されたプレチャンバープラグとして構成されている。一般に、プレチャンバープラグでは、副燃焼室９６の容積や形状が、燃焼室９５への火炎の噴出に大きく影響を及ぼす。しかしながら、本実施形態のスパークプラグ１００によれば、軸線方向ＡＤにおいて一端部４１が他端部４２よりも後端側に位置するように接地電極４０が延設されることによって、接地電極４０の過度な温度上昇が抑制されている。このため、副燃焼室９６の容積や形状等を大きく変更せずに、接地電極４０の温度上昇を抑制できる。

Ｂ．比較例：
図３は、比較例のスパークプラグ２００の要部の構成を模式的に示す断面図である。比較例のスパークプラグ２００において、貫通孔２３５は、主体金具２３０の径方向に沿って延びており、接地電極２４０は、軸線方向ＡＤに垂直な方向に延設されている。すなわち、接地電極２４０の一端部２４１と他端部２４２とは、軸線方向ＡＤにおける位置が互いに同じである。

比較例のスパークプラグ２００において、接地電極２４０の一端部２４１の位置は、エンジンヘッドの位置から遠い。このため、比較例のスパークプラグ２００では、接地電極２４０の放熱が不十分となる結果、接地電極２４０が温度上昇してプレイグニッションの起点となるおそれがある。

これに対し、図２に示す上記第１実施形態のスパークプラグ１００によれば、軸線方向ＡＤにおいて接地電極４０の一端部４１が他端部４２よりも後端側に位置しているので、一端部４１の位置を、冷媒流路が設けられたエンジンヘッド９０に近づけることができる。このため、接地電極４０の過度な温度上昇を抑制できるので、接地電極４０がプレイグニッションの起点となることを抑制できる結果、プレイグニッションの発生を抑制できる。

Ｃ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態のスパークプラグ１００ａの要部の構成を模式的に示す断面図である。第２実施形態のスパークプラグ１００ａは、中心電極２０の先端部２１ａの形状において、第１実施形態のスパークプラグ１００と異なる。その他の構成は第１実施形態のスパークプラグ１００と同じであるので、同一の構成には同一の符号を付し、それらの詳細な説明を省略する。

中心電極２０の先端部２１ａは、接地電極４０の延設方向ＥＤと略平行な平行面２２ａを有する。このため、中心電極２０の先端部２１ａは、軸線方向ＡＤの先端の角が面取りされた構成を有する。本実施形態において、「延設方向ＥＤと略平行」とは、延設方向ＥＤと平行または延設方向ＥＤに対して１５°以下の角度で交わることを意味している。先端部２１ａは、平行面２２ａにおいて接地電極４０の他端部４２との間で放電ギャップＧを形成している。本実施形態の平行面２２ａは、中心電極２０の先端部２１ａにおいて全周に亘って形成されているが、全周に限らず、他端部４２と対向する部分を含む周方向の一部に形成されていてもよい。なお、先端部２１ａは、中心電極２０の先端に設けられた貴金属チップを含んで構成される態様であってもよく、かかる態様における平行面２２ａは、貴金属チップに形成された面であってもよい。

以上説明した第２実施形態のスパークプラグ１００ａによれば、第１実施形態と同様な効果を奏する。加えて、中心電極２０の先端部２１ａが接地電極４０の延設方向ＥＤと略平行な平行面２２ａを有し、平行面２２ａにおいて接地電極４０の他端部４２との間で放電ギャップＧを形成しているので、互いに平行な２つの面の間で火花放電を発生させることができる。このため、火花放電の起点の位置が一点に集中することを抑制できるので、火花放電に伴って中心電極２０の先端部２１ａの外縁および接地電極４０の他端部４２が削られることを抑制できる。この結果、スパークプラグ１００ａの使用に伴い放電ギャップＧの寸法が変わってしまうことを抑制できる。したがって、放電ギャップＧの初期値が保たれる期間が短くなることを抑制できるので、着火の際の不具合を抑制できる結果、スパークプラグ１００ａの長寿命化を図ることができる。

Ｄ．他の実施形態：
上記各実施形態におけるスパークプラグ１００、１００ａの構成は、あくまで一例であり、種々変更可能である。例えば、上記各実施形態では、軸線方向ＡＤにおいて貫通孔３５の開口の後端３８が絶縁体１０の先端１２よりも後端側に位置していた。しかしながら、貫通孔３５の開口の後端３８は、軸線方向ＡＤにおいて絶縁体１０の先端１２よりも先端側に位置していてもよく、軸線方向ＡＤの位置が絶縁体１０の先端１２と同じであってもよい。また、例えば、上記各実施形態のスパークプラグ１００、１００ａは、プレチャンバープラグとして構成されていたが、カバー７０が省略されて副燃焼室９６を有さない点火プラグとして構成されていてもよい。このような構成によっても、上記各実施形態と同様な効果を奏する。

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中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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、１１…軸孔、１２…先端、２０…中心電極、２１、２１ａ…先端部、２２ａ…平行面、３０…主体金具、３１…軸孔、３２…工具係合部、３３…雄ネジ部、３５…貫通孔、３６…外周面、３７…内周面、３８…後端、４０…接地電極、４１…一端部、４２…他端部、５０…端子金具、６１…先端側シール材、６２…抵抗体、６３…後端側シール材、７０…カバー、７１…噴孔、９０…エンジンヘッド、９３…雌ネジ部、９５…燃焼室、９６…副燃焼室、１００、１００ａ…スパークプラグ、２００…スパークプラグ、２４０…接地電極、２４１…一端部、２４２…他端部、ＡＤ…軸線方向、ＣＡ…軸線、ＥＤ…延設方向、Ｇ…放電ギャップ

Claims

軸線方向に延びる軸孔が形成された絶縁体と、
前記軸孔の前記軸線方向の先端に配置され、自身の先端部が前記軸孔の先端側に突出する中心電極と、
前記絶縁体を保持する筒状の主体金具と、
一端部が前記主体金具に設けられた貫通孔に固定され、他端部が前記中心電極の前記先端部との間で放電ギャップを形成する接地電極と、
を備えるスパークプラグであって、
前記貫通孔は、前記主体金具の外周面から内周面に向かうにつれて、前記軸線方向の先端側に向かって延びており、
前記軸線方向において、前記一端部は、前記他端部よりも後端側に位置することを特徴とする、スパークプラグ。
請求項１に記載のスパークプラグにおいて、
前記軸線方向において、前記貫通孔のうち前記主体金具の外周面における開口の後端は、前記絶縁体の先端よりも後端側に位置することを特徴とする、スパークプラグ。
請求項１または請求項２に記載のスパークプラグにおいて、
前記接地電極は、前記一端部から前記他端部へと向かうほど軸線に近づいて延設され、
前記中心電極の前記先端部は、前記接地電極の延設方向と略平行な平行面を有し、前記平行面において前記他端部との間で前記放電ギャップを形成することを特徴とする、スパークプラグ。