JP2022178364A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】副室内の残留ガスの掃気性を向上できる技術を提供する。【解決手段】軸線に沿って延びる筒状の主体金具と、主体金具の内周側に絶縁保持される中心電極と、主体金具に電気的に接続され、中心電極と自身の端部との間に放電ギャップを形成する接地電極と、中心電極と接地電極とを先端側から覆って副室を形成するカバーと、を備え、カバーには、軸線を通る第１の貫通孔と、軸線以外の領域に存在する第２の貫通孔と、が設けられたスパークプラグであって、軸線を含む断面において、カバーの外壁は、先端側に向かうほど軸線に直線状に近づき、第１の貫通孔まで達する直線部を有し、カバーの内壁は、先端側に向かうほど軸線に曲線状に近づき、第１の貫通孔まで達する曲線部を有する。【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には、スパークプラグの先端部にカバーが設けられて副室が形成されたプレチャンバープラグであって、カバーの肉厚が均一なスパークプラグが開示されている。

特開平１１－２２４７６３号公報

しかしながら、特許文献１に記載のスパークプラグは、掃気性を改善する余地があった。このため、プレチャンバープラグにおいて掃気性を向上することができる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、
軸線に沿って延びる筒状の主体金具と、前記主体金具の内周側に絶縁保持される中心電極と、前記主体金具に電気的に接続され、前記中心電極と自身の端部との間に放電ギャップを形成する接地電極と、前記中心電極と前記接地電極とを先端側から覆って副室を形成するカバーと、を備え、前記カバーには、前記軸線を通る第１の貫通孔と、前記軸線以外の領域に存在する第２の貫通孔と、が設けられたスパークプラグであって、前記軸線を含む断面において、前記カバーの外壁は、前記先端側に向かうほど前記軸線に直線状に近づき、前記第１の貫通孔まで達する直線部を有し、前記カバーの内壁は、前記先端側に向かうほど前記軸線に曲線状に近づき、前記第１の貫通孔まで達する曲線部を有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、カバーの内壁が、先端側に向かうほど軸線に曲線状に近づく曲線部を備えるため、カバーの内壁が非曲線状である場合と比較して、副室内における気体の流れが円滑になり、この結果として、副室内の残留ガスの掃気性が向上する。

（２）上記形態のスパークプラグにおいて、前記軸線を含む断面において、前記軸線に沿った方向における前記第２の貫通孔の外壁側の後端は、前記直線部に位置してもよい。この形態のスパークプラグによれば、第２の貫通孔の外壁側の後端が直線部に位置するため、第２の貫通孔が軸線と直交せずに交わる方向に開口し、この結果として、タンブル流によって副室内の残留ガスの掃気性が向上する。

（３）上記形態のスパークプラグにおいて、前記軸線に直交する面における前記副室内の断面積は、前記第２の貫通孔の内壁側の後端から前記先端側に向かうにつれて、小さくなってもよい。この形態のスパークプラグによれば、第２の貫通孔が形成された部分におけるカバーの肉厚を確保しやすい。そして、第２の貫通孔が形成された部分におけるカバーの肉厚を確保することにより、熱引きが抑制されるため、燃焼安定性が向上する。

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。

本開示の一実施形態としてのスパークプラグの概略構成を示す部分断面図。 軸線を含む断面におけるカバーの一部を示す断面図。 シミュレーション結果を示す図。

Ａ．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。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。本実施形態のスパークプラグ１００は、例えば、点火装置や内燃機関に用いることができる。

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は、主体金具３０の内周側に絶縁保持されている。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ＣＡに沿って延びる筒状の部材である。具体的には、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。

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の厚さ方向に貫通する貫通孔３５が形成されている。すなわち、貫通孔３５は、主体金具３０の外周面と内周面とを連通させる。本実施形態の貫通孔３５は、軸線方向ＡＤと垂直に交わる径方向に沿って形成されている。貫通孔３５には、接地電極４０の一端部４１が挿入されて配置されている。

接地電極４０は、棒状の金属製部材により構成されており、スパークプラグ１００の径方向に沿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、延設方向ＥＤにおいて後端側に位置し、接地電極４０の他端部４２は、延設方向ＥＤにおいて先端側に位置している。他端部４２は、中心電極２０の先端部２１と対向し、先端部２１との間で火花放電のための放電ギャップＧを形成している。つまり、接地電極４０は、中心電極２０と自身の端部との間に放電ギャップＧを形成している。本実施形態の接地電極４０は、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。

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。つまり、接地電極４０は、主体金具３０に電気的に接続されている。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に固定されてもよい。また、接地電極４０は貫通孔３５に圧入されて固定されていなくてもよく、例えば、接地電極４０は主体金具３０の先端に取り付けられていてもよい。

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の先端に位置する固定面３４に固定されている。カバー７０は、中心電極２０と接地電極４０とを先端側から覆って副室を形成する部材である。つまり、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、副室９６を形成している。本実施形態における副室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、自身の軸線方向ＡＤの後端面７２が主体金具３０の固定面３４に溶接されて固定されているが、これに限らず、例えば、圧入等の任意の方法により主体金具３０と固定されてもよい。また、カバー７０と主体金具３０とは、カバー７０の後端面７２と主体金具３０の固定面３４とに嵌め込みのための段差が設けられることによって、互いに嵌め合わされて固定されてもよい。本実施形態において、カバー７０は、スパークプラグ１００の製造工程の最終工程において、主体金具３０と固定される。

図２は、軸線ＣＡを含む断面におけるカバー７０の一部を示す断面図である。カバー７０には、板厚を貫通する複数の噴孔としての貫通孔が形成されている。具体的には、カバー７０には、軸線ＣＡを通る第１の貫通孔７１と、軸線ＣＡ以外の領域に存在する第２の貫通孔７３と、が設けられている。つまり、第２の貫通孔７３は、第１の貫通孔７１よりも軸線ＣＡから離れて位置する。このため、図２に示すように、第１の貫通孔７１および第２の貫通孔７３は、燃焼室９５と副室９６とを連通させる。燃焼室９５内の混合気は、第１の貫通孔７１および第２の貫通孔７３を介して副室９６内に流入し、副室９６内の放電ギャップＧで発生した火花によって着火する。着火の際に発生する火炎は、第１の貫通孔７１および第２の貫通孔７３を介して燃焼室９５へと噴出される。

第２の貫通孔７３の形成位置や形成数は、エンジンの仕様に応じて予め設定されている。本実施形態において、第２の貫通孔７３は、周方向において等間隔に４つ設けられており、いずれも軸線方向ＡＤにおいて同じ位置に設けられている。なお、これに限られず、例えば、第２の貫通孔７３の数は３つ以下や５つ以上でもよく、軸線方向ＡＤにおいて互いに異なる位置に設けられていてもよい。

図２に示すように、軸線ＣＡを含む断面において、カバー７０の外壁は、直線部ＳＬを有する。直線部ＳＬは、先端側に向かうほど軸線ＣＡに直線状に近づき、第１の貫通孔７１まで達する部分である。また、軸線ＣＡを含む断面において、カバー７０の内壁は、曲線部ＣＬを有する。曲線部ＣＬは、先端側に向かうほど軸線ＣＡに曲線状に近づき、第１の貫通孔７１まで達する部分である。このような形状のカバー７０は、例えば、内壁部分を切削することにより作製できる。本実施形態では、軸線ＣＡを含む断面において、曲線部ＣＬは、先端側に向かうほど軸線ＣＡに近づく割合が増す。

また、本実施形態では、軸線ＣＡを含む断面において、軸線方向ＡＤにおける第２の貫通孔７３の外壁側の後端Ｅ１は、直線部ＳＬに位置する。なお、これに限られず、軸線ＣＡを含む断面において、軸線方向ＡＤにおける第２の貫通孔７３の外壁側の後端Ｅ１は、直線部ＳＬよりも後端側に位置していてもよい。

また、図１に示すように、本実施形態では、軸線方向ＡＤにおいて、放電ギャップＧよりも第２の貫通孔７３のほうが先端側に位置する。このようにすることにより、第２の貫通孔７３が軸線ＣＡと直交せずに交わる方向に開口するため、タンブル流によって副室内の残留ガスの掃気性が向上する。

また、本実施形態では、軸線ＣＡに直交する面における副室９６内の断面積は、第２の貫通孔７３の内壁側の後端Ｅ２から先端側に向かうにつれて、小さくなる。

以上説明した本実施形態のスパークプラグ１００によれば、カバー７０の内壁が、先端側に向かうほど軸線ＣＡに曲線状に近づき第１の貫通孔７１まで達する曲線部ＣＬを備える。このため、本実施形態のスパークプラグ１００によれば、カバー７０の内壁が非曲線状である場合と比較して、副室９６内における気体の流れが円滑になり、この結果として、副室９６内の残留ガスの掃気性が向上する。このような効果が得られることを、以下のシミュレーション結果を用いて説明する。

図３は、シミュレーション結果を示す図である。具体的には、紙面左側は流速分布のシミュレーション結果を示し、紙面右側は圧力分布のシミュレーション結果を示す。流速分布のシミュレーション結果については、さらに、第１の貫通孔７１付近の流速分布の拡大図を示す。また、紙面上側には本実施形態のシミュレーション結果を示し、図３の紙面下側には比較例のシミュレーション結果を示す。比較例は、カバーの内壁が先端側に向かうほど軸線に直線状に近づき、第１の貫通孔まで達するが、それ以外の構成は本実施形態と同じである。ここで、比較例のカバーの肉厚は、一定である。

このシミュレーションは、解析手法として流体シミュレーションを用いており、副室内の空気のみを対象としており、流速は２５ｍ／ｓとし、雰囲気温度は２７℃としている。

特に流速分布のシミュレーション結果から、本実施形態は、比較例と比較して、副室内における気体の流れが円滑になるとともに、第１の貫通孔７１における副室９６内と副室９６外との圧力差が大きいことが分かり、この結果として、副室９６内の残留ガスの掃気性が向上することが分かった。

また、本実施形態のスパークプラグ１００によれば、図２に示すように、軸線ＣＡを含む断面において、軸線方向ＡＤにおける第２の貫通孔７３の外壁側の後端Ｅ１は、直線部ＳＬに位置するため、第２の貫通孔７３から排出される気体の流れが軸線ＣＡと直交せずに交わる方向になり、この結果として、タンブル流によって副室内の残留ガスの掃気性が向上する。

また、本実施形態のスパークプラグ１００によれば、軸線ＣＡに直交する面における副室９６内の断面積は、第２の貫通孔７３の内壁側の後端Ｅ２から先端側に向かうにつれて、小さくなる。このため、第２の貫通孔が形成された部分におけるカバーの肉厚を確保しやすい。そして、第２の貫通孔が形成された部分におけるカバーの肉厚を確保することにより、熱引きが抑制されるため、燃焼安定性が向上する。

Ｂ．他の実施形態：
上記実施形態におけるスパークプラグ１００の構成は、あくまで一例であり、種々変更可能である。

上記実施形態では、軸線方向ＡＤにおいて、放電ギャップＧよりも第２の貫通孔７３のほうが先端側に位置するが、これに限られない。軸線方向ＡＤにおいて、放電ギャップＧと第２の貫通孔７３とが同じ位置であってもよく、放電ギャップＧのほうが第２の貫通孔７３よりも先端側に位置してもよい。

また、上記実施形態では、軸線ＣＡに直交する面における副室９６内の断面積は、第２の貫通孔７３の内壁側の後端Ｅ２から先端側に向かうにつれて、小さくなるが、これに限られない。例えば、軸線ＣＡに直交する面における副室９６内の断面積は、第２の貫通孔７３の内壁側の後端Ｅ２からあらかじめ定められた範囲において一定であってもよい。

また、上記実施形態では、主体金具３０とカバー７０とは別体としているが、主体金具３０とカバー７０とを一体とした構成であってもよい。また、上記実施形態から得られる効果は、ネジ径に係わらず同様に得ることができる。

本発明は、上記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、上記の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上記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、２０…中心電極、２１…先端部、３０…主体金具、３１…軸孔、３２…工具係合部、３３…雄ネジ部、３４…固定面、３５…貫通孔、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…第１の貫通孔、７２…後端面、７３…第２の貫通孔、９０…エンジンヘッド、９３…雌ネジ部、９５…燃焼室、９６…副室、１００…スパークプラグ、ＡＤ…軸線方向、ＣＡ…軸線、ＣＬ…曲線部、Ｅ１…後端、Ｅ２…後端、ＥＤ…延設方向、Ｇ…放電ギャップ、ＳＬ…直線部

Claims (3)

1. 軸線に沿って延びる筒状の主体金具と、
   前記主体金具の内周側に絶縁保持される中心電極と、
   前記主体金具に電気的に接続され、前記中心電極と自身の端部との間に放電ギャップを形成する接地電極と、
   前記中心電極と前記接地電極とを先端側から覆って副室を形成するカバーと、
   を備え、
   前記カバーには、前記軸線を通る第１の貫通孔と、前記軸線以外の領域に存在する第２の貫通孔と、が設けられたスパークプラグであって、
   前記軸線を含む断面において、
   前記カバーの外壁は、前記先端側に向かうほど前記軸線に直線状に近づき、前記第１の貫通孔まで達する直線部を有し、
   前記カバーの内壁は、前記先端側に向かうほど前記軸線に曲線状に近づき、前記第１の貫通孔まで達する曲線部を有す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、
   前記軸線を含む断面において、
   前記軸線に沿った方向における前記第２の貫通孔の外壁側の後端は、前記直線部に位置す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、
   前記軸線に直交する面における前記副室内の断面積は、前記第２の貫通孔の内壁側の後端から前記先端側に向かうにつれて、小さくなることを特徴とする、スパークプラグ。

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