JP3589693B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、中心電極の発火部の表面に貴金属部を設けたスパークプラグの耐久性の向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパークプラグは、軸孔を有する絶縁体に、先端部が該絶縁体の先端面から突出した状態で棒状中心電極を嵌着し、前記絶縁体を筒状の主体金具に嵌め込んだ構造を有する。主体金具の先端には外側電極が設けられ、該外側電極の先端部と中心電極の先端部（発火部）の外周面との間が火花放電間隙となっている。中心電極または外側電極はニッケル合金など耐熱金属製であり、火花放電間隙に臨んだ中心電極の表面または外側電極の表面には、白金など耐火花消耗性に優れた貴金属部が設けられる。
【０００３】
また、スパークプラグでは、外側電極の先端部と中心電極の先端部との間の第１火花放電間隙に加えて、絶縁体の先端面と外側電極の先端部との間に第２火花放電間隙を形成すると、絶縁体先端部がカーボン等で汚損したとき第２火花放電間隙で飛火することによるカーボンの焼切り作用により、燻りによる絶縁低下を防止することができる。
さらに、主体金具の先端に複数の外側電極を設けた多極スパークプラグでは、１つしかない中心電極の火花消耗が大きいため、中心電極の火花消耗を低減させる目的で中心電極の発火部の外周に貴金属部を設けると耐久性の向上に有効である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらスパークプラグの中心電極は、図２（イ）に示す如く、火花放電Ｓは絶縁抵抗が正常のとき第１気中火花放電間隙Ｇ１ の発火面で最も頻繁に発生し、図２（ロ）に示す如く、火花消耗により第１気中火花放電間隙Ｇ１ が拡大する。第１気中火花放電間隙Ｇ１ の拡大が進むと、図２（ハ）に示す如く、第２気中火花放電間隙Ｇ２ で頻繁に火花放電Ｓが生じるようになるため、図２（ニ）に示す如く、中心電極３が絶縁体２の先端面２２の位置を中心にして抉れるように消耗していく。
この発明の目的は、中心電極の先端部（発火部）の外周面に貴金属部を有するスパークプラグにおいて、耐火花消耗性に優れ最大限の耐久性が得られるスパークプラグの構成の提供にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、棒状の中心電極と、該中心電極を保持する軸孔を備えた絶縁体と、該絶縁体に外嵌された筒状の主体金具と、該主体金具の先端に設けられた外側電極とを有し、前記外側電極は、前記主体金具の先端面から突設され、前記外側電極の先端部が前記中心電極側に指向し、前記外側電極の前記先端部と前記絶縁体の先端面から突出した前記中心電極の先端部外周面との間に第１気中火花放電間隙Ｇ１と、前記外側電極の絶縁体がわ面と前記絶縁体の先端部との間に第２気中火花放電間隙Ｇ２とを形成してなるスパークプラグにおいて、前記中心電極の表面の、前記第１気中火花放電間隙Ｇ１に臨んだ部分には先端貴金属部を、前記軸孔の端に臨んだ部分には後側貴金属部を、それぞれ別個に設けたことを特徴とする。
【０００６】
請求項２の構成では、前記第１気中火花放電間隙Ｇ１と、前記第２気中火花放電間隙Ｇ２とは、０．４ｍｍ≦Ｇ２≦Ｇ１≦１．５ｍｍである。
請求項３の構成では、前記先側貴金属部を前記外側電極の前記先端部に対応した位置に形成し、前記後側貴金属部を、前記絶縁体の前記先端面から０ｍｍ〜０．２ｍｍ突出し、０．４ｍｍ以上内部に入り込んだ位置に形成した。
請求項４の構成では、前記中心電極の前記先端部（発火部）の直径を１．０ｍｍ〜２．５ｍｍと小径に形成した。
【０００７】
【発明の作用および効果】
この発明では、中心電極の表面の、第１気中火花放電間隙Ｇ１に臨んだ部分には先端貴金属部を、軸孔の端に臨んだ部分には後側貴金属部を、それぞれ別個に設けている。
このため、火花放電による中心電極の先端部の浸食を最も有効に防止できる。この結果、中心電極の発火部の火花消耗は最小限に低減でき、スパークプラグの耐久性が向上できる。また、中心電極の先端部の全体を覆う必要がないことから貴金属量が少なくコストが低減できる。
【０００８】
請求項２の構成では、０．４ｍｍ≦Ｇ２ ≦Ｇ１ ≦１．５ｍｍとしているため、着火性が高く、火花放電要求電圧が実用的範囲にでき、かつ燻りの清浄作用が高く絶縁体の抵抗値の低下が確実に防止できる。
請求項３の構成では、最小限の貴金属で第１気中火花放電間隙Ｇ１ および第２気中火花放電間隙に臨んだ中心電極の発火面の火花消耗が有効に低減でき、スパークプラグの耐久性が向上する。
請求項４の構成では、中心電極の発火部の直径を小さくしているので、貴金属の使用量を低減できるとともに、中心電極の消炎作用が低減するため着火性が向上できる。
【０００９】
【実施例】
図１はこの発明の一実施例にかかる２極スパークプラグ１００の先端部を示す。スパークプラグ１００は、円筒状の主体金具１に、断面円形の軸孔２１が設けられた棒状の絶縁体２を嵌着してなる。軸孔２１には、中心電極３の発火部となっている先端部３１が絶縁体２の先端面２２から突き出した状態で中心電極３が嵌め込まれている。
絶縁体２の先端部はテーパー付きの脚長部２３となっており、前記先端面２２は平坦面となっている。
【００１０】
主体金具１の先端部外周にはエンジンへの取付ネジ１１が設けられ、先端面１２には、２つの外側電極４、４が対向して溶接されている。各外側電極４は断面略矩形の耐熱金属製棒材で形成され、図示下端が主体金具１の先端面１２に溶接されるとともに軸方向に突出した支柱部４１と、該支柱部４１の上端から中心電極３の方向に曲げられた外側電極４の発火部（先端部）４２とからなる。
外側電極４の発火部４２の先端面４３は、前記中心電極３の先端部３１の外周面３２と同軸心を有する円筒面となっており、該先端部３１の外周面３２との間に第１気中火花放電間隙Ｇ１ を形成している。
【００１１】
このスパークプラグ１００においては、外側電極４の発火部４２の絶縁体がわ面４４と絶縁体２の脚長部２３との間の第２気中火花放電間隙Ｇ２ と、前記先端面２２の表面に沿った沿面火花放電間隙Ｇ３ とからなる第２火花放電間隙が形成されている。この第２火花放電間隙は絶縁体の先端部表面に煤などが付着してスパークプラグ１００の絶縁抵抗が低下したとき、前記先端面２２に沿って火花が生じる沿面放電を発生させ、煤などを焼ききる清浄作用を行い、スパークプラグ１００の絶縁抵抗の低下を防止して飛火ミスの発生を低減させる作用を有する。
【００１２】
中心電極３の先端部３１の外周面３２には、いずれも白金を主体とする先側貴金属部５および後側貴金属部６が設けられている。先側貴金属部５は、前記第１気中火花放電間隙Ｇ１ に臨んだ中心電極３の先端部３１の外周面３２に溶接して形成され、後側貴金属部６は、絶縁体の軸孔２１の先端面２２に臨んだ中心電極３の先端部３１の外周面３２に溶接して形成されている。
先側貴金属部５および後側貴金属部６は、この実施例では中心電極３の全周に沿って帯状に形成されている。先側貴金属部５の軸方向の長さＴは、外側電極のプラグ長軸方向の太さＬに対し、０．５Ｌ〜１．２Ｌの範囲にあることが望ましい。後側貴金属部６は、先端面２２から０ｍｍ〜０．２ｍｍ突出し、０．４ｍｍ以上軸孔２１の内部に入り込んだ位置に設けられている。
【００１３】
後側貴金属部６の形成位置の数値限定は、つぎの理由による。軸孔２１の先端部の内周と中心電極３の外周との間は、熱膨張差による絶縁体２の破壊を防止するため０．１ｍｍ前後の隙間があり、後側貴金属部６の軸孔２１の内部への入り込み量が０．４ｍｍより小さいと隙間から放電火花が侵入し軸孔２１の内部から中心電極３の火花消耗が開始し易い。また、先端面２２からの突出し量は、０ｍｍより小さいと後側貴金属部６を設けた意義が失われ、０．２ｍｍより大きくても効果の増大はほとんどない。
さらに、先側貴金属部５の軸方向の長さＴを０．５Ｌ〜１．２Ｌとしたのは、０．５Ｌ以下であると火花放電の発生位置のばらつきを十分カバーできず、１．２Ｌ以上にしてもコストが増大するのみで効果が増大しないことによる。
【００１４】
先側貴金属部５および後側貴金属部６は、この実施例では、図３（イ）に示す如く、白金、イリジウム、白金ニッケル合金または白金イリジウム合金からなる貴金属線５０を中心電極３の外周に接触させ、図３（ロ）に示す如くレーザービームＲで溶融し先端部３１の外周面３２に固着する。このレーザー融着によると、貴金属と中心電極母材との結合強度が高く、電気抵抗溶接、冷間鍛造、不活性ガスシールド溶接など他の方法により貴金属部を形成した場合に比較し貴金属部の耐剥離性が向上できる。
【００１５】
第１気中火花放電間隙Ｇ１ と第２気中火花放電間隙Ｇ２ との関係を、０．４ｍｍ≦Ｇ２ ≦Ｇ１ ≦１．５ｍｍに設定することが望ましい。第１気中火花放電間隙Ｇ１ と第２気中火花放電間隙Ｇ２ とが０．４ｍｍより小さいと、火花による着火性が低いため希薄空燃比での着火性が低下する。また、第１気中火花放電間隙Ｇ１ と第２気中火花放電間隙Ｇ２ とが１．５ｍｍより大きいと、スパークプラグ１００で火花放電するのに必要な要求電圧が高くなりすぎ、実用性が低下する。さらに、Ｇ２ ≦Ｇ１ であると、沿面火花放電間隙Ｇ３ での火花放電が行われ易くなり、絶縁体の清浄機能が高く、絶縁体のカーボン汚損などによる絶縁抵抗の低下を防止する機能が高い。
【００１６】
つぎに本発明のスパークプラグの性能について示す。図４は先端部外周面３１の直径が２．０ｍｍの中心電極３を有するスパークプラグ１００を、２０００ｃｃ、６気筒のガソリン機関に装着して５０００ｒｐｍ×Ｗ・Ｏ・Ｔの運転条件で連続耐久テストを４００時間行ったときの第１気中火花放電間隙Ｇ１ の拡大量および第２気中火花放電間隙Ｇ２ の拡大量および要求電圧を示す。
【００１７】
図４（イ）は、中心電極３の先端部３１に、ａ）貴金属部を設けない場合、ｂ）先側貴金属部５のみを設けた場合、ｃ）後側貴金属部６のみを設けた場合、ｄ）先側貴金属部５および後側貴金属部６の双方を設けた場合の火花放電間隙の拡大量を示す。図４（ロ）は、机上試験における６気圧、常温での火花放電要求電圧の変化を示す。その結果、本発明のスパークプラグは火花放電間隙の拡大量が最も小さく、かつ要求電圧も最も低いことが判る。
【００１８】
図４（ハ）は、前記４００時間耐久テスト後の空燃比Ａ／Ｆと着火ミスの発生回数を示す。図４（ニ）は同じく４００時間耐久テスト後のスパークプラグを用いてマイナス１０℃における汚損性試験のパターン運転（アイドリングと低速運転の繰り返し）で最大１０サイクル行ったときに絶縁抵抗が１０メガオームなるサイクル数を示す。これらのテスト結果から、この発明にかかる先側貴金属部５および後側貴金属部６を有する中心電極３を備えた本発明のスパークプラグ１００は優れた着火性能および耐汚損性能を維持していることが証明されている。
【００１９】
図５（イ）は中心電極３の先端部３１の直径と、４００時間耐久テスト後の前記火花放電間隙Ｇ１ およびＧ２ の拡大量を貴金属層のあるものとないものとの比を示し、図５（ロ）は着火限界を示すグラフである。この結果、中心電極３の先端部３１の直径を１．０ｍｍ未満とすると貴金属のない場合との火花放電間隙の拡大率に差がなく、２．５ｍｍより大きい場合には中心電極の太さによる着火限界の差が少なくなる。
【００２０】
また、多極スパークプラグでは、複数ある外側電極４の消炎により着火性が低下する問題があるため出来るだけ細くして中心電極３による消炎作用を小さくし、電極の表面による消炎作用を小さくすることが望ましい。しかるに中心電極３の先端部３１の直径を１．０ｍｍより小さくすることは中心電極３の耐久性を低下させるとともに機械的強度上製造が困難になる。よって中心電極３の先端部３１の直径は１．０ｍｍ〜２．５ｍｍに設定する。
【００２１】
図６はこの発明にかかる他の構造のスパークプラグを示す。（イ）は外側電極４の発火面に対向した部分の中心電極３の表面にのみ貴金属部を形成した。（ロ）は外側電極４が３つある多極スパークプラグである。（ハ）は外側電極４が１つのスパークプラグである。（ニ）は外側電極４が主体金具１と一体の環状体に形成されたセミ沿面スパークプラグである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のスパークプラグの先端部の斜視図である。
【図２】従来のスパークプラグの耐久試験後の先端部の断面図である。
【図３】中心電極へ貴金属部を形成する工程図である。
【図４】スパークプラグのエンジン試験結果を示すグラフである。
【図５】スパークプラグのエンジン試験結果を示すグラフである。
【図６】他の実施例のスパークプラグの先端部の斜視図である。
【符号の説明】
１ 主体金具
２ 絶縁体
３ 中心電極
４ 外側電極
５ 先側貴金属部
６ 後側貴金属部
１２ 先端面
２１ 軸孔
２２ 先端面
２３ 脚長部（絶縁体の先端部）
３１ 先端部（発火部）
３２ 外周面
４２ 先端部（発火部）
４３ 先端面
４４ 絶縁体がわ面
１００ スパークプラグ
Ｇ１ 第１気中火花放電間隙
Ｇ２ 第２気中火花放電間隙
Ｇ３ 沿面火花放電間隙

Claims (4)

1. 棒状の中心電極と、
   該中心電極を保持する軸孔を備えた絶縁体と、
   該絶縁体に外嵌された筒状の主体金具と、
   該主体金具の先端に設けられた外側電極とを有し、
   前記外側電極は、前記主体金具の先端面から突設され、前記外側電極の先端部が前記中心電極側に指向し、前記外側電極の前記先端部と前記絶縁体の先端面から突出した前記中心電極の先端部外周面との間に第１気中火花放電間隙Ｇ１と、前記外側電極の絶縁体がわ面と前記絶縁体の先端部との間に第２気中火花放電間隙Ｇ２とを形成してなるスパークプラグにおいて、
   前記中心電極の表面の、前記第１気中火花放電間隙Ｇ１に臨んだ部分には先端貴金属部を、前記軸孔の端に臨んだ部分には後側貴金属部を、それぞれ別個に設けたことを特徴とするスパークプラグ。
2. 請求項１において、前記第１気中火花放電間隙Ｇ１と、前記第２気中火花放電間隙Ｇ２とは、０．４ｍｍ≦Ｇ２≦Ｇ１≦１．５ｍｍであることを特徴とするスパークプラグ。
3. 請求項１または２のいずれかにおいて、前記先端貴金属部を前記外側電極の前記先端部に対応した位置に形成し、前記後側貴金属部を、前記絶縁体の前記先端面から０ｍｍ〜０．２ｍｍ突出し、０．４ｍｍ以上内部に入り込んだ位置に形成したことを特徴とするスパークプラグ。
4. 請求項１〜３のいずれかの１項において、前記中心電極は、前記先端部の直径が１．０ｍｍ〜２．５ｍｍであることを特徴とするスパークプラグ。

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