JP2023032007A - 内燃機関用のスパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】プラグカバーの過熱を抑制することができる内燃機関用のスパークプラグを提供すること。【解決手段】スパークプラグ１において、プラグカバー５には噴孔５１が形成されている。ハウジング２の外周には、呼び径がＭ１４以下であるネジ部２１が形成されている。また、プラグカバー５は、周壁部５２と底壁部５３とを有する。周壁部５２は、副燃焼室５０の外周側の少なくとも一部を覆うと共に基端部がハウジング２に固定されている。底壁部５３は、副燃焼室５０の先端側を覆う。周壁部５２の厚みｔ１は底壁部５３の厚みｔ０以上である。また、底壁部５３は法線方向がプラグ軸方向Ｚを向く先端平坦面５３１を有する。プラグカバー５の平均厚みをｔとし、プラグカバー５のプラグ軸方向Ｚにおける高さをｈとする。このとき、スパークプラグ１は下記式（１）を満たす。ｈ／ｔ≦１１．２ ・・・（１）【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用のスパークプラグに関する。

例えば、特許文献１に開示されているように、先端に副燃焼室を備えた内燃機関用のスパークプラグが知られている。特許文献１に記載のスパークプラグは、絶縁碍子の副燃焼室に面する外周面の表面積に対する、ハウジング及びプラグカバーの副燃焼室に面する内壁面の合計表面積の比率を規定している。これにより、副燃焼室が高温になることを抑え、スパークプラグによる放電の発生よりも前に混合気が着火すること（すなわちプレイグニッション）を抑制しようとしている。

特開２０２０－１８４４３５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において、プラグカバーの先端面は、先端側に凸となるよう湾曲した凸曲面形状を呈している。それゆえ、プラグカバーは、主燃焼室への突き出し量が大きくなりやすく、主燃焼室の燃焼によって受熱しやすい。そのため、プラグカバーの過熱を抑制し、プレイグニッションを抑制する観点から、更なる改善の余地があるといえる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、プラグカバーの過熱を抑制することができる内燃機関用のスパークプラグを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、筒状の絶縁碍子（３）と、
該絶縁碍子の内周側に保持されると共に該絶縁碍子から先端側に突出した中心電極（４）と、
上記絶縁碍子を内周側に保持する筒状のハウジング（２）と、
上記中心電極との間に放電ギャップ（Ｇ）を形成する接地電極（６）と、
上記放電ギャップが配される副燃焼室（５０）を覆うよう上記ハウジングの先端部に設けられたプラグカバー（５）と、を有し、
上記プラグカバーには、上記副燃焼室と外部とを連通させる噴孔（５１）が形成されており、
上記ハウジングの外周には、呼び径がＭ１４以下であるネジ部（２１）が形成されており、
上記プラグカバーは、上記副燃焼室の外周側の少なくとも一部を覆うと共に基端部が上記ハウジングに固定された周壁部（５２）と、上記副燃焼室の先端側を覆う底壁部（５３）と、を有し、
上記周壁部の厚み（ｔ１）は上記底壁部の厚み（ｔ０）以上であり、
上記底壁部は法線方向がプラグ軸方向（Ｚ）を向く先端平坦面（５３１）を有し、
上記プラグカバーの平均厚みをｔとし、上記プラグカバーのプラグ軸方向における高さをｈとしたとき、下記式（１）を満たす、内燃機関用のスパークプラグ（１）にある。
ｈ／ｔ≦１１．２ ・・・（１）

上記スパークプラグは、上記式（１）を満たすと共に、先端平坦面を有する。また、周壁部の厚みは底壁部の厚み以上である。それゆえ、プラグカバーの主燃焼室への突き出し量が少なくなりやすいと共に、プラグカバーの熱を外部に放熱させやすい。その結果、プラグカバーの過熱を抑制することができる。

以上のごとく、上記態様によれば、プラグカバーの過熱を抑制することができる内燃機関用のスパークプラグを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、スパークプラグの先端部付近の、プラグ軸方向に沿った断面図であって、図２のI－I線矢視断面相当図。 図１のII－II線矢視断面相当図。 図１のIII矢視図。 実施形態１における、先端平坦面のプラグ径方向における最大幅と、副燃焼室の最大径とを示す断面図。 実施形態１における、スパークプラグが設置された内燃機関の断面図。 実験例１における、プラグカバーの温度と、プレイグニッションが発生したときの、ＭＢＴからの進角量との関係を示すグラフ。 実験例１における、式（３）から算出した値ｋと、プレイグニッションが発生したときの、ＭＢＴからの進角量との関係を示すグラフ。 実験例２における、ｈ／ｔの値と、プレイグニッションが発生したときの、ＭＢＴからの進角量との関係を示すグラフ。

（実施形態１）
内燃機関用のスパークプラグに係る実施形態について、図１～図５を参照して説明する。
本形態の内燃機関用のスパークプラグ１は、図１～図３に示すごとく、筒状の絶縁碍子３と、中心電極４と、筒状のハウジング２と、接地電極６と、プラグカバー５と、を有する。中心電極４は、絶縁碍子３の内周側に保持されると共に絶縁碍子３から先端側に突出している。ハウジング２は、絶縁碍子３を内周側に保持する。接地電極６は、中心電極４との間に放電ギャップＧを形成する。プラグカバー５は、放電ギャップＧが配される副燃焼室５０を覆うようハウジング２の先端部に設けられている。

プラグカバー５には、副燃焼室５０と外部とを連通させる噴孔５１が形成されている。また、ハウジング２の外周には、呼び径がＭ１４以下であるネジ部２１が形成されている。

また、プラグカバー５は、周壁部５２と底壁部５３とを有する。周壁部５２は、副燃焼室５０の外周側の少なくとも一部を覆うと共に基端部がハウジング２に固定されている。底壁部５３は、副燃焼室５０の先端側を覆う。図１に示すごとく、周壁部５２の厚みｔ１は底壁部５３の厚みｔ０以上である。また、底壁部５３は法線方向がプラグ軸方向Ｚを向く先端平坦面５３１を有する。

プラグカバー５の平均厚みをｔとし、プラグカバー５のプラグ軸方向Ｚにおける高さをｈとする。このとき、スパークプラグ１は下記式（１）を満たす。
ｈ／ｔ≦１１．２ ・・・（１）

また、本形態のスパークプラグ１は下記式（２）も満たす。
ｈ／ｔ≦４．５ ・・・（２）

本形態のスパークプラグ１は、例えば、自動車等の内燃機関における着火手段として用いることができる。図５に示すごとく、ハウジング２のネジ部２１を、シリンダヘッド７１のプラグホール７１１の雌ネジ部に螺合して、スパークプラグ１が内燃機関１０に取り付けられる。スパークプラグ１が内燃機関１０に取り付けられた状態において、ハウジング２は、シリンダヘッド７１と熱的に接触している。

また、内燃機関１０は、シリンダ７０内を往復運動するピストン７４を備える。主燃焼室１０１は、ピストン７４の往復運動によって、容積変化する。内燃機関１０には、吸気ポート７２１及び排気ポート７３１が形成されており、それぞれ吸気弁７２又は排気弁７３が備えられている。

そして、スパークプラグ１の軸方向Ｚの一端が、内燃機関１０の主燃焼室１０１に配置される。スパークプラグ１の軸方向Ｚにおいて、主燃焼室１０１に露出する側を先端側、その反対側を基端側というものとする。また、スパークプラグ１の軸方向Ｚを、適宜、プラグ軸方向Ｚ、或いは単に、Ｚ方向ともいう。なお、プラグ中心軸Ｃは、スパークプラグ１の中心軸Ｃを意味するものとする。また、プラグ径方向とは、プラグ中心軸Ｃに直交する平面上において、プラグ中心軸Ｃを中心とする円の半径方向を意味する。また、プラグ中心軸Ｃは、本形態において、中心電極４の中心軸でもある。

図５に示すごとく、スパークプラグ１が内燃機関１０に取り付けられた状態において、プラグカバー５は、副燃焼室５０を主燃焼室１０１と区画している。また、噴孔５１は、副燃焼室５０と主燃焼室１０１とを連通させている。

本形態において、副燃焼室５０は、図１に示すごとく、絶縁碍子３から先端側に突出した中心電極４の周辺における、ハウジング２の先端部の内周側の空間を含む。また、副燃焼室５０は、絶縁碍子３の外周面とハウジング２の内周面との間に形成された環状の空間であるポケット部５０１をも含む。

本形態において、プラグカバー５の周壁部５２は、副燃焼室５０の外周側の一部を覆っている。周壁部５２の基端部は、ハウジング２の先端部に溶接等によって接合されている。プラグカバー５は、ハウジング２と熱的に接触している。

周壁部５２は略円筒形状を呈する。本形態において、周壁部５２の厚みは均一となっている。

また、底壁部５３は、平板状を呈すると共に、図３に示すごとく、Ｚ方向から見たとき、略円形状を呈している。本形態において、底壁部５３の厚みは均一となっている。

また、本形態においては、底壁部５３の先端面の全体が、先端平坦面５３１となっている。先端平坦面５３１は、Ｚ方向に直交するように形成されている。先端平坦面５３１は、Ｚ方向から見たとき、略円形状を呈している。

図４に示すごとく、先端平坦面５３１のプラグ径方向における最大幅Ｄ１は、副燃焼室５０の最大径Ｄ２の１／２以上である。また、先端平坦面５３１の面積は、Ｚ方向に直交する副燃焼室５０の断面積のうち、最大となる面積の１／４以上である。また、最大幅Ｄ１は、高さｈ以上である。

本形態においては、図１に示すごとく、周壁部５２の厚みｔ１と底壁部５３の厚みｔ０とは、互いに同等の厚みとなっている。また、プラグカバー５の平均厚みｔと、厚みｔ１又は厚みｔ０とは、互いに同等の厚みとなっている。プラグカバー５は、厚みが均一の板状部材を塑性加工することにより形成されている。

また、プラグカバー５は、周壁部５２の先端と底壁部５３の外周とを曲面状に繋ぐ角部５４を有する。噴孔５１は、角部５４に形成されている。

噴孔５１は、先端側へ向かうほどプラグ径方向の外側へ向かうように、プラグ軸方向Ｚに対して傾斜して開口している。

次に、本形態の作用効果を説明する。
上記スパークプラグ１は、上記式（１）を満たすと共に、先端平坦面５３１を有する。また、周壁部５２の厚みは底壁部５３の厚み以上である。それゆえ、プラグカバー５の主燃焼室への突き出し量が少なくなりやすいと共に、プラグカバー５の熱を外部に放熱させやすい。その結果、プラグカバー５の過熱を抑制することができる。

本形態のスパークプラグ１は、放電ギャップＧに放電を生じさせることにより、副燃焼室５０内の混合気を着火させ、火炎を形成する。そして、副燃焼室５０内にて生じた火炎を、噴孔５１を介して、主燃焼室１０１に火炎ジェットとして噴出させる。これにより、主燃焼室１０１に火炎を伝播させて混合気を燃焼させる。ここで、燃焼時における主燃焼室１０１の温度は、シリンダ７０及びピストン７４による冷却の影響から、燃焼の中心、つまり主燃焼室１０１の中心付近が最も高くなりやすい。したがって、プラグカバー５の部位のうち、主燃焼室１０１に最も突き出た部位、つまり主燃焼室１０１の中心に最も近い部位である先端部は、特に高温となりやすい。そのため、高さｈ（図１参照）を低くし、プラグカバー５の主燃焼室１０１への突き出し量を少なくするほど、プラグカバー５の受熱を抑えやすく、プラグカバー５の過熱を抑制しやすい。一方、プラグカバー５を小さくして副燃焼室５０を小さくしすぎると、副燃焼室５０から主燃焼室１０１に噴出させる火炎ジェットを強化し難くなる。そこで、本形態のスパークプラグ１は、上記式（１）を満たすと共に、先端平坦面５３１を有する。これにより、プラグカバー５の主燃焼室１０１への突き出し量を少なくしつつ、副燃焼室５０の容積を確保することができる。その結果、プラグカバー５の過熱を抑制しつつ、着火性を確保することができる。

また、プラグカバーの受熱量は、プラグカバーの表面積に比例しやすい。そして、プラグカバーの表面積の大きさは、プラグカバーの外径及び高さｈによって決まりやすい。ここで、プラグカバーの外径は、スパークプラグのネジ部の呼び径によって決まりやすい。そのため、スパークプラグのネジ部の呼び径が同じである場合、プラグカバーの受熱量は、プラグカバーの高さｈに比例しやすい。また、プラグカバーの熱は、プラグカバーの平均厚みｔが厚いほど、ハウジングに移動しやすく、ハウジングを介して外部へと放熱されやすい。それゆえ、ｈ／ｔの値が小さいほど、プラグカバーの受熱を抑えつつ、プラグカバーの外部への放熱量を確保しやすい。それゆえ、ｈ／ｔの値が小さいほど、プラグカバーの過熱を抑制することができる。そこで、本形態のスパークプラグ１は、上記式（１）を満たす。これにより、プラグカバー５の過熱を抑制することができる。それゆえ、スパークプラグ１を設置した自動車等の内燃機関は、高負荷運転時等においても、プレイグニッションを抑制することができる。その結果、内燃機関の燃費向上、出力向上を図ることができる。

また、周壁部５２の厚みｔ１は底壁部５３の厚みｔ０以上である。それゆえ、プラグカバー５の先端部の熱を、周壁部５２及びハウジング２を介して外部に放熱しやすい。また、主燃焼室に噴出させる火炎ジェットによって受熱した噴孔５１の内周面の熱も、周壁部５２及びハウジング２を介して外部に放熱しやすい。それゆえ、プラグカバー５の熱を効率的に放熱することができる。その結果、プラグカバー５の過熱を抑制することができる。

本形態において、最大幅Ｄ１（図４参照）は最大径Ｄ２（図４参照）の１／２以上である。それゆえ、副燃焼室５０の容積を確実に確保しつつ、プラグカバー５の主燃焼室への突き出し量を少なくすることができる。その結果、着火性を確実に確保しつつ、プラグカバー５の過熱を抑制することができる。

本形態においては、底壁部５３の先端面の全体が、先端平坦面５３１となっている。それゆえ、副燃焼室５０の容積を一層確保しつつ、プラグカバー５の主燃焼室への突き出し量を少なくすることができる。その結果、着火性を一層確保しつつ、プラグカバー５の過熱を抑制することができる。

また、本形態のスパークプラグ１は上記式（２）も満たす。それゆえ、プラグカバー５の主燃焼室への突き出し量が一層少なくなりやすいと共に、プラグカバー５の熱を外部に一層放熱させやすい。その結果、プラグカバー５の過熱を一層抑制することができる。

ネジ部２１の呼び径はＭ１４以下である。それゆえ、スパークプラグ１を、自動車等の内燃機関に搭載しやすい。その結果、スパークプラグ１を自動車等の内燃機関の着火手段として用いた際、プレイグニッションを抑制することができる。

以上のごとく、本形態によれば、プラグカバー５の過熱を抑制することができる内燃機関用のスパークプラグを提供することができる。

上記実施形態１において、周壁部５２及び底壁部５３の厚みは、それぞれ均一となっている。ただし、周壁部は、例えば、基端側に向かうほど厚みが厚くなるように形成することもできる。また、底壁部は、例えば、プラグ径方向の外側に向かうほど厚みが厚くなるように形成することもできる。

（実験例１）
本例では、基本構造を実施形態１と同様とする複数のスパークプラグを用いて、図６のグラフに示すごとく、プラグカバーの温度と、プレイグニッションが発生したときの、ＭＢＴ（Minimum Spark Advance for Best Torqueの略）からの進角量との関係を解析した。一般に、ＭＢＴから点火時期を進角させるほど、プレイグニッションが発生しやすい。そのため、本例では、それぞれのスパークプラグを設置した内燃機関につき、ＭＢＴから点火時期を徐々に進角させ、プレイグニッションの発生する点火時期を解析した。試験条件は、内燃機関を単気筒の４ストロークエンジンとし、スロットル全開、回転数を６５００ｒｐｍとした。なお、図６のグラフにおいて、丸印は、それぞれのスパークプラグの解析結果をプロットしたものである。

また、図６のグラフにおいて、プラグカバーの温度は、上記条件にて内燃機関を運転させたときのプラグカバーの先端部の温度である。また、プラグカバーの温度は、ＣＡＥ（Computer Aided Engineeringの略）解析による温度である。

図６のグラフに示すごとく、プラグカバーの温度が低いほど、プレイグニッションの発生する点火時期がＭＢＴから進角することが分かる。この結果より、プラグカバーの熱を外部に放熱しやすいスパークプラグほど、プレイグニッションを抑制することができると考えられる。

ここで、プレイグニッションは、プラグカバーの過熱などを起因とする早期着火、つまり、燃焼反応である。したがって、プレイグニッションが発生したときの、ＭＢＴからの進角量は、単にプラグカバーの温度との関係ではなく、下記のアレニウス型の式（３）から算出した値ｋとの関係で見る方が妥当と考えられる。そのため、図６のグラフに示すプラグカバーの温度を下記式（３）のＴに代入し、当該式を計算することにより値ｋを算出した。下記式（３）において、Ｅは活性化エネルギー、Ｒは気体定数を示し、Ｅ／Ｒの値は、ｎ－ヘプタンの１１６００Ｋを用いた。そして、下記式（３）から算出した値ｋと、プレイグニッションが発生したときの、ＭＢＴからの進角量との関係を示すグラフが図７のグラフとなる。また、図７のグラフには、各解析結果のプロットにおける近似直線を示した。そして、後述するように、実験例２において、プレイグニッションが発生したときの、ＭＢＴからの進角量の値は、図７のグラフに示す近似直線から求めた。
ｋ＝ｅｘｐ［－Ｅ／［Ｒ（Ｔ＋２７３）］］ ・・・（３）

（実験例２）
本例では、基本構造を実施形態１と同様としつつ、ｈ／ｔの値が互いに異なる複数のスパークプラグを用いて、図８のグラフに示すごとく、ｈ／ｔの値と、プレイグニッションが発生したときの、ＭＢＴからの進角量との関係を解析した。その他の試験条件は、実験例１と同様である。

ここで、プレイグニッションの発生する点火時期がＭＢＴから７．５°ＣＡ（クランク角の略）以上進角する場合を、低燃費自動車エンジン用として用いる際に充分にプレイグニッションを抑制できる基準としている。そこで、上記解析結果から、当該基準を満たすｈ／ｔの値を求めた。また、プレイグニッションの発生する点火時期がＭＢＴから１６．５°ＣＡ以上進角する場合を、高効率自動車エンジン用として用いる際に充分にプレイグニッションを抑制できる基準としている。そこで、上記解析結果から、当該基準を満たすｈ／ｔの値も求めた。ここで、低燃費自動車エンジンは、排気再循環率（以下において、ＥＧＲ率という。）が２０％以下の、ＥＧＲ装置を備えた自動車エンジン等を示す。また、高効率自動車エンジンは、圧縮比が１３以上の高圧縮比化された自動車エンジン、或いはＥＧＲ率が２５％以上の自動車エンジン等を示す。

具体的には、下記の表１に示すごとく、ｈ／ｔの値が互いに異なる８個のスパークプラグのそれぞれについて、プラグカバーの温度ＴをＣＡＥ解析した。そして、温度Ｔの値を上記式（３）に代入し、当該式を計算することにより値ｋを算出した。さらに、その値ｋと、実験例１における図７のグラフの近似直線から、表１に示す、プレイグニッションが発生したときの、ＭＢＴからの進角量を求めた。

図８のグラフは、表１における、ｈ／ｔの値と、プレイグニッションが発生したときの、ＭＢＴからの進角量との関係を示すグラフである。図８のグラフにおいて、丸印は、それぞれのスパークプラグの解析結果をプロットしたものである。また、図８のグラフには、これらのプロットにおける近似直線を示した。

図８のグラフより、ｈ／ｔの値が小さくなるほど、プレイグニッションの発生する点火時期がＭＢＴから進角することが分かる。この結果より、ｈ／ｔの値を小さくするほど、プラグカバーの過熱を抑制することができ、プレイグニッションを抑制することができると考えられる。

また、図８のグラフに示す近似直線より、プレイグニッションの発生する点火時期がＭＢＴから７．５°ＣＡ以上進角するｈ／ｔの値は、１１．２以下と推測された。また、プレイグニッションの発生する点火時期がＭＢＴから１６．５°ＣＡ以上進角するｈ／ｔの値は、４．５以下と推測された。この結果から、ｈ／ｔの値を１１．２以下とすることにより、スパークプラグを低燃費自動車エンジンに用いた際、プレイグニッションを抑制することができると考えられる。また、ｈ／ｔの値を４．５以下とすることにより、スパークプラグを高効率自動車エンジンに用いたとしても、プレイグニッションを抑制することができると考えられる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１…スパークプラグ、２…ハウジング、２１…ネジ部、３…絶縁碍子、４…中心電極、５…プラグカバー、５０…副燃焼室、５１…噴孔、５２…周壁部、５３…底壁部、５３１…先端平坦面、６…接地電極、Ｇ…放電ギャップ、Ｚ…プラグ軸方向、ｔ１…周壁部の厚み、ｔ０…底壁部の厚み

Claims (2)

1. 筒状の絶縁碍子（３）と、
   該絶縁碍子の内周側に保持されると共に該絶縁碍子から先端側に突出した中心電極（４）と、
   上記絶縁碍子を内周側に保持する筒状のハウジング（２）と、
   上記中心電極との間に放電ギャップ（Ｇ）を形成する接地電極（６）と、
   上記放電ギャップが配される副燃焼室（５０）を覆うよう上記ハウジングの先端部に設けられたプラグカバー（５）と、を有し、
   上記プラグカバーには、上記副燃焼室と外部とを連通させる噴孔（５１）が形成されており、
   上記ハウジングの外周には、呼び径がＭ１４以下であるネジ部（２１）が形成されており、
   上記プラグカバーは、上記副燃焼室の外周側の少なくとも一部を覆うと共に基端部が上記ハウジングに固定された周壁部（５２）と、上記副燃焼室の先端側を覆う底壁部（５３）と、を有し、
   上記周壁部の厚み（ｔ１）は上記底壁部の厚み（ｔ０）以上であり、
   上記底壁部は法線方向がプラグ軸方向（Ｚ）を向く先端平坦面（５３１）を有し、
   上記プラグカバーの平均厚みをｔとし、上記プラグカバーのプラグ軸方向における高さをｈとしたとき、下記式（１）を満たす、内燃機関用のスパークプラグ（１）。
   ｈ／ｔ≦１１．２ ・・・（１）
2. 下記式（２）を満たす、請求項１に記載の内燃機関用のスパークプラグ。
   ｈ／ｔ≦４．５ ・・・（２）

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