JP3971940B2

JP3971940B2 - ガスエンジン用スパークプラグ

Info

Publication number: JP3971940B2
Application number: JP2002051287A
Authority: JP
Inventors: 佳弘松原; 伸一平松; 雅啓石川
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2022-02-27
Also published as: JP2003257585A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はガスエンジン用スパークプラグに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の点火に使用されるスパークプラグは、基本的には火花放電ギャップにおける飛火が不能となった時点をもって寿命と判断される。具体的には、スパークプラグは、使用継続により電極が消耗して火花放電ギャップの間隔が広がり、それに伴って放電に必要な閾電圧も徐々に上昇する。最終的にその閾電圧が、スパークプラグに電圧印加する電源の能力を超えて高くなると飛火が不能となり、燃焼室内の混合気に着火することができなくなるので、内燃機関の運転に支障を生ずるようになる。従って、スパークプラグの長寿命化を図るには、電極消耗を抑制することが重要である。その一つの手法として、電極の火花放電ギャップに臨む部分を、ＰｔやＩｒ等の貴金属あるいはその合金からなる貴金属耐消耗部とすることが行われている。
【０００３】
近年、コージェネレーションシステムやヒートポンプの普及に伴い、ガスエンジン用スパークプラグの需要が伸びている。これらの用途は、スパークプラグの使用条件がとりわけ厳しい点で際立っている。例えば、コージェネレーションシステムは工業用の電力あるいは熱源として活用されることが多く、システム停止が前提となるスパークプラグの交換は、可及的に行いたくないという要望がある。そのため、エンジンは基本的に２４時間稼動となり、１０００〜２０００時間もの間ノンストップで運転継続されるのが普通である。また、工業用の大型システムにおいては、排気量が大きいために、エンジン回転数は１０００〜２５００ｒｐｍ程度と低く抑えられる。この条件にて高出力を実現するためには、過給による充填量の増加が必須となる。過給を行うと点火時期における筒内圧力が上昇するため、絶縁破壊強度がもともと高い気体燃料の放電条件はますます厳しくなり、放電電圧が更に上昇する。その結果、限界ギャップはより厳しくなる。他方、ヒートポンプは一般空調用等のコンプレッサー動力源として使用されることが多く、運転条件自体はコージェネレーションシステムほどではない。しかし、メンテナンスフリー化の傾向はより顕著であり、連続運転の継続が１００００〜２００００時間に達することも珍しくない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ガスエンジン用スパークプラグは、上記のような過酷な条件での長時間連続使用に耐える電極寿命が求められるにもかかわらず、寿命改善の具体的対策を講ずることが、ガソリンエンジンよりもはるかに難しい。つまり、ガスエンジンは、液化石油ガス（ＬＰＧ）や圧縮天然ガス（ＣＮＧ）など、常圧で室温以下の沸点を有する気体燃料を使用する。気体燃料は、ガソリン混合気等と比較して絶縁破壊電圧が高い。それゆえ、ガスエンジン用スパークプラグにおいては、放電電圧が上昇するため、火花放電ギャップの間隔がかなり小さく設定される。当然、正常な飛火に支障が生ずるようになる限界ギャップ間隔も小さく、寿命に至る電極消耗代（つまり、ギャップ拡大代）も制限される。また、ガソリンエンジンでは、ガソリンの気化潜熱による冷却効果のため、吸入される混合気の温度は比較的低く、温度も上昇しにくい。しかし、気体燃料を使用するガスエンジンではこのような冷却効果は生じないので、電極温度が上昇しやすく消耗も進行しやすい。つまり、ガスエンジン用スパークプラグは、電極消耗が進行しやすい上に電極消耗代も小さいので、前述のような貴金属耐消耗部を単に採用するだけでは、要求される寿命レベルを実現することは事実上不可能に近い。
【０００５】
そこでスパークプラグの中心電極径を大きくし、火花放電ギャップを形成する電極対向面積を増加させることにより、寿命向上を図ることが考えられる。しかし、ガスエンジン用スパークプラグの場合、火花放電ギャップの間隔が前述のように狭く設定されるため、火花放電ギャップの電極対向面積を過度に大きく設定しすぎると、点火性に悪影響が生じ、却って性能を低下させることにつながる。従って、中心電極径を増大させて寿命向上を図る方法には限界がある。
【０００６】
本発明の課題は、点火性に悪影響を生ずることなく寿命向上を有効に図ることができ、ひいては、コージェネレーションシステムやヒートポンプなどにおける過酷な寿命要求にも十分適合できるガスエンジン用スパークプラグを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために、本発明のガスエンジン用スパークプラグの第一は、
１つの中心電極と、先端部が中心電極の先端部に対向する形で配置され、中心電極との間に火花放電ギャップを形成する１又は複数の接地電極とを備え、それら中心電極と接地電極との、火花放電ギャップを挟んで対向する部分が少なくとも、貴金属を主成分とする貴金属耐消耗部とされ、かつ、該火花放電ギャップの間隔Ｂが０．２ｍｍ以上０．７ｍｍ以下に調整され、
火花放電ギャップは、中心電極の先端面に接地電極が対向して形成されるものを第一種火花放電ギャップとし、中心電極の周側面に接地電極が対向して形成されるものを第二種火花放電ギャップとして、１つの第一種火花放電ギャップと１以上の第二種火花放電ギャップとを含む複数個、もしくは２以上の第二種火花放電ギャップを含む複数個が形成されてなり、さらに、
それら複数個の火花放電ギャップのそれぞれについて、中心電極と接地電極との、前記間隔Ｂを満たす火花放電ギャップを挟んだ電極対向面積をＡ（単位：ｍｍ^２）として、該電極対向面積Ａと火花放電ギャップ間隔Ｂ（単位：ｍｍ）との間に、
Ｂ≧０．１ｅｘｐ（Ａ／４）
の関係が成り立っていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のガスエンジン用スパークプラグの第二は、
１つの中心電極と、先端部が中心電極の先端部に対向する形で配置され、中心電極との間に火花放電ギャップを形成する接地電極とを備え、それら中心電極と接地電極との、火花放電ギャップを挟んで対向する部分が少なくとも、貴金属を主成分とする貴金属耐消耗部とされ、かつ、該火花放電ギャップの間隔Ｂが０．２ｍｍ以上０．７ｍｍ以下に調整され、
火花放電ギャップは、中心電極の周側面と接地電極に形成された穴又は切欠きの内周面とが対向するものとして形成されてなり、さらに、
火花放電ギャップは、中心電極と接地電極との、間隔Ｂを満たす火花放電ギャップを挟んだ中心電極の電極対向面積をＡとして、該電極対向面積Ａと火花放電ギャップの間隔Ｂとの間に、
Ｂ≧０．１ｅｘｐ
の関係が成り立っていることを特徴とする。
【０００９】
このような構成を有する本発明のガスエンジン用スパークプラグは、点火性を損ねることなく、その寿命を大幅に向上でき、ひいては、コージェネレーションシステムやヒートポンプなどにおける過酷な寿命要求も十分充足することができるようになる。
【００１０】
以下、さらに詳細に説明する。まず、本発明のガスエンジン用スパークプラグにおいては、絶縁破壊電圧の高いＬＰＧやＣＮＧなどの気体燃料に対する着火性を高めるため、火花放電ギャップ間隔Ｂを、０．２ｍｍ以上０．７ｍｍ以下の小さい値に設定する。これは、スパークプラグをガスエンジン用として用いるための一つの大きな前提でもある。火花放電ギャップ間隔Ｂが０．７ｍｍを超えると、電極消耗によりギャップが拡大するとすぐ飛火に支障が生ずるようになり、寿命確保ができなくなる。他方、火花放電ギャップ間隔Ｂを０．２ｍｍ以下に設定すると、製造時に許容されるギャップ間隔公差が極端に狭くなり、歩留まり低下を招くことにつながる。
【００１１】
また、本発明のガスエンジン用スパークプラグにおいては、過酷な条件下で連続使用を行っても火花放電ギャップの拡大が急速に進行しないよう、中心電極と接地電極との、火花放電ギャップを挟んで対向する部分を少なくとも、貴金属を主成分とする貴金属耐消耗部にて構成する。貴金属は、一般にはＰｔ族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）にＡｕ及びＡｇを加えた元素群の総称であるが、本発明においては、特に、Ｐｔ及びＩｒが耐消耗性に優れているので好適に採用できる。なお、本明細書において「主成分とする」とは、着目する成分が質量含有率において最も高くなっていることを意味する。具体的には、Ｐｔ−Ｎｉ合金（例えばＰｔを主成分とし、Ｎｉを２〜４０質量％含有させた合金）、Ｐｔ−Ｉｒ合金（例えばＰｔ又はＩｒを主成分とし、Ｉｒを２〜９８質量％含有させた合金）、Ｐｔ−Ｉｒ−Ｎｉ合金（例えば、Ｐｔを主成分とし、Ｉｒを２〜４０質量％、Ｎｉを２〜４０質量％含有させた合金）、Ｉｒ−Ｎｉ合金（Ｉｒ又はＮｉを主成分とし、Ｎｉを２〜７０質量％含有させた合金）等を例示できる。
【００１２】
次に、本発明のスパークプラグの第一においては、火花放電ギャップを２つ以上形成する。火花放電ギャップの数を増やすことで、火花放電ギャップの電極対向面積の合計が増加する。また、第二においては、中心電極の周側面に対し、接地電極に形成された穴又は切欠きの内周面を対向させて火花放電ギャップが形成されるので、周方向の電極対向長さが大きくなり、火花放電ギャップの電極対向面積が増加する。いずれも、結果としてギャップ拡大率を抑制することができる。また、火花放電ギャップの数が複数になれば、電極対向面積の合計が増加しても、１つの火花放電ギャップ当たりの電極対向面積は過度に増加しないから、個々の火花放電ギャップの点火性が損なわれることもない。
【００１３】
本発明のスパークプラグの第一においては、火花放電ギャップは、中心電極の先端面に接地電極を対向させた第一種火花放電ギャップと、同じく周側面に接地電極を対向させた第二種火花放電ギャップとの２種類が形成可能である。中心電極の先端面には１個の接地電極のみ対向配置できるので、第一種火花放電ギャップの形成可能個数は高々１個である。他方、中心電極の周側面を利用する第二種火花放電ギャップは、中心電極を取り囲むように複数個の接地電極を配置でき、それぞれ第二種火花放電ギャップを形成することができる。従って、火花放電ギャップを複数個作るための具体的な組合せとしては、１つの第一種火花放電ギャップと１以上の第二種火花放電ギャップとの組合せ、もしくは（第一種火花放電ギャップを含まない）２以上の第二種火花放電ギャップの組合せのいずれかを採用できる。なお、１つの接地電極と中心電極との間に、第一種火花放電ギャップと第二種火花放電ギャップとの双方が形成されることもありうる。
【００１４】
また、本発明のガスエンジン用スパークプラグは、中心電極と接地電極との火花放電ギャップを挟んだ電極対向面積Ａ（単位：ｍｍ^２）と、火花放電ギャップ間隔Ｂ（単位：ｍｍ）との間に、
Ｂ≧０．１ｅｘｐ（Ａ／４） ‥‥‥ ▲１▼
の関係が成り立つことを必須要件とする。ここでいう電極対向面積Ａとは、個々の火花放電ギャップについての対向面積であって、合計面積を意味するものではない。先に説明した通り、各火花放電ギャップは電極対向面積Ａが大きくなるほど、正常に飛火が生じても点火性は悪くなる傾向にある。そこで、本発明者ら実験により詳細に検討したところ、電極対向面積Ａの値と、点火性に難が生じ始める閾火花放電ギャップ間隔Ｂ’とは、
Ｂ’＝０．１ｅｘｐ（Ａ／４） ‥‥‥ ▲２▼
の実験式により結び付けられることがわかった。
【００１５】
図２１は、その実験結果を示すグラフである。実験に使用したスパークプラグは、主体金具の取付ねじ部の呼びがＭ１４、ねじリーチが１９ｍｍであり、中心電極の先端面に接地電極の側面を平行に対向させて火花放電ギャップを形成したタイプのものである。接地電極と中心電極の双方の火花放電ギャップに対向する位置に、Ｐｔ製の貴金属チップを溶接してあり、絶縁体の主体金具からの突き出し長は１．５ｍｍ、中心電極の絶縁体からの突き出し長（貴金属チップ長さを含む）は２ｍｍである。対向面積Ａを、中心電極の先端面に溶接した円柱状の貴金属チップの外径を変化させ、さらに火花放電ギャップの値も変化させて、種々のスパークプラグの試験品を作製した。
【００１６】
これらの試験品の着火性を、失火法により評価した。具体的には、スパークプラグを直列３気筒（総排気量１６４２ｃｃ）のガスエンジンの、第一の気筒に取り付け、回転数９００ｒｐｍ：１／２負荷の条件で運転を開始する。運転中、空燃比を徐々に希薄側に変化させ、失火率が１％となったときの残存酸素濃度を調べ、その残存酸素濃度を希薄化限界残存酸素濃度として求める。この希薄化限界残存酸素濃度が９％となるギャップ間隔Ｂを、前記した点火性に難が生じ始める閾火花放電ギャップ間隔みなす。図２１は、このようにして求めた各対向面積Ａについての閾火花放電ギャップ間隔をプロットしたものである。プロット点には、前記した▲２▼式が精度よくフィッティングしており、該▲２▼式の妥当性が裏付けられている。
【００１７】
従って、実際に採用する火花放電ギャップの間隔Ｂが▲１▼の不等式を充足することにより、個々の火花放電ギャップは、それぞれ電極対向面積Ａの値によらず良好な点火性を確保することができる。他方、飛火そのものを支障なく生じさせる観点から、前述の通り、
０．７≧Ｂ≧０．２（単位：ｍｍ） ‥‥‥ ▲３▼
となるように設定する必要がある。従って、本発明のガスエンジン用スパークプラグにおいて、採用可能な火花放電ギャップの間隔Ｂの値は、図２１の斜線の領域のようになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の第一実施例に係るスパークプラグを示すものである。このスパークプラグ１００は、例えばコージェネレーションシステムやヒートポンプ用のガスエンジンに使用され、筒状の主体金具１、先端部が突出するようにその主体金具１の内側に嵌め込まれた絶縁体２、先端を突出させる形で絶縁体２の内側に配置された中心電極３、及び主体金具１に一端が溶接等により結合され、他端側が中心電極３の先端部と対向するように配置されて、該中心電極３と間に火花放電ギャップを形成する接地電極４，５等を備えている。なお、中心電極３は、絶縁体２の軸線Ｏ方向に形成された貫通孔６の前端側（軸線Ｏ方向において火花放電ギャップの形成される側を前方側とする）に配置されている。また、貫通孔６の後端側には端子金具２３が配置され、導電性ガラスシール層２４，２６及び電波吸収用の抵抗体２５を介して中心電極３に電気的に接続されている。
【００１９】
絶縁体２は、例えばアルミナあるいは窒化アルミニウム等のセラミック焼結体により構成され、その内部には軸線Ｏ方向に沿って、前述のように中心電極３が嵌め込まれた孔部６を有している。また、主体金具１は、低炭素鋼等の金属により筒状に形成されており、スパークプラグ１００のハウジングを構成する。また、その外周面には、プラグ１００を図示しないエンジンブロックに取り付けるためのねじ部７が形成されている。
【００２０】
図２は、図１のスパークプラグ１００の要部を拡大して示すものである。接地電極４，５の合計数は２つであり、それぞれ先端部が中心電極３の先端部に対向する形で配置されて火花放電ギャップｇｔ，ｇｐを形成している。そして、中心電極３と接地電極４，５との、火花放電ギャップｇｔ，ｇｐを挟んで対向する部分が少なくとも、貴金属を主成分とする貴金属耐消耗部１３，１４，１５とされている。貴金属耐消耗部１３，１４，１５は、例えばＰｔ，Ｉｒあるいはそれらのいずれかを主成分とする合金よりなる。また、各火花放電ギャップｇｔ，ｇｐの間隔Ｂは、いずれも０．２ｍｍ以上０．７ｍｍ以下に調整される。
【００２１】
火花放電ギャップｇｔ，ｇｐは、中心電極３の先端面１３ｔに接地電極４が対向して形成される第一種火花放電ギャップｇｔと、中心電極３の周側面１３ｐに接地電極５が対向して形成される第二種火花放電ギャップｇｐとの２種類がある。この実施形態のスパークプラグ１００においては、第一種火花放電ギャップｇｔと第二種火花放電ギャップｇｐとがそれぞれ１つずつ形成されている。そして、それら火花放電ギャップｇｔ，ｇｐのそれぞれについて、中心電極３と接地電極４，５との、火花放電ギャップｇｔ，ｇｐを挟んだ電極対向面積をＡ（単位：ｍｍ^２）とし、該電極対向面積Ａと火花放電ギャップｇｔ，ｇｐの間隔Ｂ（単位：ｍｍ）との間に、
Ｂ≧０．１ｅｘｐ（Ａ／４）（前記▲１▼式）
の関係が成り立っている。
【００２２】
第二種火花放電ギャップｇｐについては、電極対向面積Ａを以下のように定義する。すなわち、図２の中心電極３の中心軸線Ｏにｚ軸を定め、このｚ軸を通るように直交動径軸Ｒを定めた円柱座標系を考え、Ｒ方向において中心電極３の周側面位置から貴金属チップ１５の先端面１５ｐまでの距離ε（ｍｍ）を測定したとき、０．２≦ε≦０．７を満たす中心電極３の、周側面領域の面積を電極対向面積Ａとする。
【００２３】
次に、第一種火花放電ギャップｇｔについては、電極対向面積Ａを以下のように定義する。すなわち、図４に示すように、中心電極３の軸線Ｏと平行に入射方向ＰＤを定める。そして、図４左に示すように、中心電極３のみを取り出したと考えて、接地電極４の位置する側に光源を置き、入射方向ＰＤに沿って平行光線ＰＬ１を投射する。そして、貴金属耐消耗部１３の先端面１３ｔにおいて、この平行光線ＰＬ１を受光しうる領域をＳ１とする。
【００２４】
また、図４右に示すように、接地電極４のみを取り出したと考えて、中心電極３の位置する側に光源を置き、入射方向ＰＤに沿って平行光線ＰＬ２を投射する。そして、接地電極４の側面に形成された貴金属耐消耗部１４の先端面１４ｔにおいて、この平行光線ＰＬ１を受光しうる領域をＳ２とする。そして、図５に示すように、これら２つの領域Ｓ１及びＳ２を入射方向ＰＤにおいて透視したとき、互いに重なって見える領域を対向領域として定め、その面積をもって電極対向面積Ａとする。なお、互いに重なって見える領域の面積が、領域Ｓ１と領域Ｓ２とで異なる場合は、その小さいほうの面積をもって電極対向面積Ａとする。
【００２５】
スパークプラグ１００は、上記説明から明らかな通り、「課題を解決するための手段」の欄にて説明した本発明のガスエンジン用スパークプラグの構成を有してなる。すなわち、貴金属耐消耗部１３，１４，１５を採用し、かつ火花放電ギャップｇｔ，ｇｐを複数個に分散形成することにより、合計の電極対向面積を増加させたから、その寿命を大幅に向上できる。また、増加するのは電極対向面積の合計であって、１つ１つの火花放電ギャップｇｔ，ｇｐの電極対向面積が過度に大きくなることはない。そして、前記した▲１▼の関係式を充足するようにギャップ間隔Ｂを定めたから点火性も良好に確保できる。かくして、スパークプラグ１００は、コージェネレーションシステムやヒートポンプなどの過酷な使用条件においても、十分満足できる性能及び耐久性を実現できる。
【００２６】
本発明のガスエンジン用スパークプラグにおいては、複数個の火花放電ギャップｇｔ，ｇｐのそれぞれについて、電極対向面積Ａが２．７ｍｍ^２以上７ｍｍ^２以下に調整されていることが望ましい。電極対向面積Ａをこの範囲に収めることにより、スパークプラグの耐久性を一層高めることができる。以下にその理由を説明する。
【００２７】
図２１において、電極対向面積Ａをある値に定めたとき、燃料への点火を支障なく行うことができるギャップ間隔Ｂの範囲は、▲２▼式の曲線で定められる閾値Ｂ’を下限値とし、▲３▼式の上限値０．７ｍｍまでの値が可能である。例えば、初期ギャップ間隔Ｂ0を、着火性確保のために多少の余裕を見込んで、
Ｂ0＝Ｂ’＋α ‥‥‥ ▲４▼
に設定すれば、ギャップ間隔Ｂが上限値０．７ｍｍに到達するまでの拡大代は、
ΔＢ＝０．７−（Ｂ’＋α） ‥‥‥ ▲５▼
により表すことができる。図２１に示すように、電極対向面積Ａが増加すると、▲２▼式に従いＢ’は単調に増加するから、▲５▼式の拡大代ΔＢは、電極対向面積Ａの増加に伴い単調に減少することとなる。
【００２８】
次に、一回の飛火で電極（貴金属耐消耗部）が消耗する体積（以下、飛火単位消耗体積という）が一定であれば、電極対向面積Ａが大きいほど、ギャップ間隔Ｂの拡大率は小さくなる、しかし、本発明者らが検討したところ、この飛火消耗体積は、電極対向面積Ａの値に依存して変化することがわかった。このことを、以下の実験により確かめた。すなわち、図２１の実験に用いたのと同タイプであって、電極対向面積Ａを種々の値に設定したスパークプラグを用い、放電電圧１５ｋＶ、１放電当たりのエネルギーが６０ｍＪ、周波数７５Ｈｚにて１０００時間放電を継続したときの総電極消耗体積を求めた。そして、この総電極消耗体積を総放電回数にて除することにより、飛火単位消耗体積を算出した。図２２は、この算出された飛火単位消耗体積を、電極対向面積Ａの値に対してプロットしたものである。このグラフによると、電極対向面積Ａがある値以下に小さくなると、飛火単位消耗体積が急速に増加していることがわかる。これは、電極対向面積Ａが小さくなると電極先端の熱引きが損なわれ、温度上昇しやすくなることが原因している。
【００２９】
図２２の飛火単位消耗体積ＶＥと電極対向面積Ａとの関係に適当な実験式Ｆを回帰し、
ＶＥ＝Ｆ（Ａ） ‥‥‥ ▲６▼
にて表す。他方、▲５▼式において計算の便宜のためα＝０とすれば、ギャップの拡大代ΔＢは、▲２▼式も用いて、
ΔＢ＝０．７−Ｂ’＝０．７−０．１ｅｘｐ（Ａ／４） ‥‥‥ ▲７▼
により表すことができる。そして、ギャップの拡大代ΔＢに電極対向面積Ａを乗ずれば、電極の総消耗代体積ＧＶを算出することができる。すなわち、
ＧＶ＝Ａ・ΔＢ＝Ａ・｛０．７−０．１ｅｘｐ（Ａ／４）｝ ‥‥‥ ▲８▼
この総消耗代体積ＧＶを飛火単位消耗体積ＶＥにて除した値は、火花放電ギャップ間隔が上限に到達するまでに可能な総飛火回数Ｑ、つまりスパークプラグの寿命値を表すことになる。▲６▼及び▲８▼から、
Ｑ＝ＧＶ／ＶＥ
＝Ａ・｛０．７−０．１ｅｘｐ（Ａ／４）｝／Ｆ（Ａ） ‥‥‥ ▲９▼
【００３０】
図２３は、上記▲９▼式に種々のＡの値を代入して寿命値Ｑを算出し、Ａの値にしてプロットしたものである。ただし、グラフの縦軸は、Ａ＝１．１２ｍｍ^２のＱ値を１として、相対寿命値Ｑ’により表してある。この結果を見ると、電極対向面積Ａが２．７ｍｍ^２以上７ｍｍ^２以下の範囲において相対寿命値Ｑ’が特に高くなり、耐久性を向上できることがわかる。
【００３１】
以下、スパークプラグ１００の細部についてさらに詳細に説明する。図２に示すように、スパークプラグ１００においては、中心電極３の、先端面１３ｔと該先端面１３ｔに連なる周側面先端部１３ｐとを含む部分が、一体の貴金属耐消耗部１３として形成されている。また、接地電極４，５として、側面１４ｔを貴金属耐消耗部１３の先端面１３ｔと対向させることにより第一種火花放電ギャップｇｔを形成する第一種接地電極４と、該第一種接地電極４とは別体であり、先端面１５ｐを貴金属耐消耗部１３の周側面と対向させることにより第二種火花放電ギャップｇｐを形成する第二種接地電極５とが設けられている。このように、第一種火花放電ギャップｇｔと第二種火花放電ギャップｇｐとを、個別の接地電極４，５を用いて形成することにより、個々の火花放電ギャップｇｔ，ｇｐの形成位置を自由に設定・調整できるので、設計上の自由度が増す利点がある。
【００３２】
また、中心電極３の軸線Ｏ方向において、貴金属耐消耗部１３の先端面１３ｔが位置する側を前方側としたとき、該貴金属耐消耗部１３に周側面１３ｐに対向する第二種接地電極５の先端面１５ｐの、軸線Ｏ方向における前端縁位置Ｘ１が、貴金属耐消耗部１３の先端面位置Ｙ１よりも後方側に位置してなる。このような位置関係にて第二種接地電極５を配置すると、貴金属耐消耗部１３は、第一種火花放電ギャップｇｔでの飛火に伴う先端面１３ｔ側からの消耗代と、第二種火花放電ギャップｇｐでの飛火に伴う周側面１３ｐからの消耗代とが重ならない。その結果、周側面１３ｐが消耗しても、先端面１３ｔの面積が縮小しにくくなるので、図２２の関係により第一種火花放電ギャップｇｔ側でのギャップ拡大が急速化する心配がない。すなわち、スパークプラグの更なる長寿命化を図ることができる。
【００３３】
中心電極３は、Ｎｉ又はＦｅのいずれかを主成分とした金属（例えば、Inconel 600等のＮｉ基耐熱合金：Inconelは英国Inco社の商標名）よりなる軸状の電極本体３ｍを有する（ただし、その内部には、熱引き促進のためのＣｕ系金属かならる芯材３ｃが組み込まれている）。そして、その電極本体３ｍの先端面に貴金属部材を重ね合わせ、その重ね合わせ面の周方向に沿って環状の溶接部Ｗを形成することにより貴金属耐消耗部１３が形成されている。環状の溶接部Ｗは、全周レーザー溶接により簡単かつ確実に形成できる。
【００３４】
また、第二種接地電極５の貴金属耐消耗部１３の先端面１３ｔは、軸線Ｏ方向における後端縁位置Ｘ２が、溶接部Ｗの前端縁位置Ｙ２よりも前方側に位置している。Ｘ２がＹ２よりも後方側にあると、第二種火花放電ギャップｇｐの一部が溶接部Ｗと重なり、溶接部Ｗにて飛火することになる。溶接部Ｗは、電極母材の金属成分が合金化することにより低融点化しているため、この位置で飛火すると消耗が急速に進んで溶接部Ｗがえぐり取られ、貴金属耐消耗部１３が剥離したりする不具合につながる。そこで、Ｘ２をＹ２よりも前方側に位置させることによりこのような不具合を解消できる。
【００３５】
なお、接地電極４及び５も，Ｎｉ又はＦｅのいずれかを主成分とした金属よりなる軸状の電極本体４ｍ，５ｍをそれぞれ有する。電極本体４ｍ，５ｍは、基端側が主体金具１の端面に溶接され、先端側が中心電極３に向けて側方に曲げ返されている。このうち、第一種接地電極４は、曲げ返された電極本体４ｍの先端部側面が中心電極３の先端面１３ｔと平行に対向している。その対向位置には、貴金属部材が抵抗溶接等により接合されて貴金属耐消耗部１４が形成され、第一種火花放電ギャップｇｔが形成されている。また、第二種接地電極５は、曲げ返された電極本体５ｍの先端面に貴金属部材が抵抗溶接等により接合され、貴金属耐消耗部１５が形成されている。そして、該貴金属耐消耗部１５の先端面１５ｐが貴金属耐消耗部１３の周側面１３ｐと対向して、第二種火花放電ギャップｇｐが形成されている。
【００３６】
以下、本発明のガスエンジン用スパークプラグの種々の変形例について説明する。図６に示すスパークプラグ１０１は、第二種接地電極５が、中心電極３の周囲に２個（つまり、複数個）配置されている。第二種接地電極５を複数個配置することにより、第二種火花放電ギャップｇｐの数を増やすことができ、電極対向面積Ａの合計が増大してより長寿命のスパークプラグを実現できる。第二種接地電極５の数を除き、他は図２のスパークプラグ１００と同様に構成されている。また、図１０は、第二種接地電極５を３個配置した例である。
【００３７】
図７に示すように、中心電極３側の貴金属耐消耗部１３は円柱状に形成され、第二種接地電極５の貴金属耐消耗部１５の先端面１５ｐの形状は、貴金属耐消耗部１３の周側面１３ｐの形状に対応した部分円筒面とされている。このように構成すると、貴金属耐消耗部１３の周側面１３ｐの周方向において、第二種火花放電ギャップ１５ｐの間隔が一様となり、電極対向面の消耗を均一化することができる。また、貴金属耐消耗部１５の先端面１５ｐを部分円筒面とすることで電極対向面積が増大し、スパークプラグの寿命向上にも寄与する。この構成は、第二種接地電極５を１つのみ有する図２のスパークプラグ１００にも当然適用できる。
【００３８】
他方、図８に示すように、貴金属耐消耗部１５の先端面１５ｐを平面状に形成することもできる。この場合、貴金属耐消耗部１３の周側面１３ｐは、少なくとも第二種火花放電ギャップ１５ｐの対向面１３ｆを平面状に形成するようにする。この態様は、貴金属耐消耗部１５を形成するための貴金属部材が単純な板状形態となり、製造が容易である。なお、貴金属耐消耗部１３は、図９に示すように、円柱状の貴金属部材１３’の周側面を、軸線と交差する向きに圧縮成型することにより、平面状の対向面１３ｆを形成すると製造が容易である。この場合、貴金属部材１３’の、電極母材３ｍ（図６）への溶接側端部には、円筒状の周側面１３ｂを一部残留させておくと、全周レーザー溶接を行う際に、レーザービームの周側面１３ｂへの合焦位置を一定にでき、溶接ムラ等を生じにくい利点がある。
【００３９】
次に、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すスパークプラグ１０２は、第一種接地電極を省略し、第二種接地電極５（及び第二種火花放電ギャップｇｐ）のみを複数個設けた例である。この実施形態においては、中心電極３側の貴金属耐消耗部１３が四角柱状に形成され、周側面をなす４つの平面のそれぞれに、第二種接地電極５の先端に設けられた貴金属耐消耗部１５の平面状の先端面１５ｐが対向している。ただし、図１１Ｂに一点鎖線にて示すように、図２と同様の第一種接地電極４を追加して、合計五極のスパークプラグとして構成することも可能である。
【００４０】
図１２のスパークプラグ１０３は、本発明のスパークプラグの第二の実施形態を示すものである。接地電極１２５は横長の板状に形成され、両端が主体金具１に溶接される一方、その長手方向中央に板厚方向の貫通孔２６が形成されている。中心電極３側の貴金属発火部１３の先端部が軸線方向に該貫通孔２６内に挿入され、貴金属発火部１３の周側面１３ｐと、貫通孔２６の内周面との間に、１個の火花放電ギャップｇｐが連続環状形態に形成されている。この場合の電極対向面積Ａも、図２の第二種火花放電ギャップｇｐの対向面積と全く同様に定義する。接地電極１２５は、全体を貴金属のムク材として構成してある。従って、貫通孔２６の内周面を含む部分が貴金属耐消耗部として機能することは明らかである。なお、図中一点鎖線で示すように、図２のスパークプラグ１００と同様の第一種接地電極４を追加することもできる。また、図１３に示すように、接地電極１２５に貫通孔ではなく、板幅方向の一方に開放する切欠２６’を形成してもよい。
【００４１】
図１４のスパークプラグ１０４は、図２のスパークプラグ１００と同様、第一種接地電極４と第二種接地電極５を有している。ただし、電極母材４ｍ，５ｍをそれぞれ主体金具１の端面から軸線Ｏ方向に立設配置されている。そして、貴金属耐消耗部１４及び１５は、いずれも棒状の貴金属部材の一端を電極母材４ｍ，５ｍの先端に溶接することにより接合され、主体金具１の中心軸線Ｏに向けて半径方向内向きに直線状に伸びている。そして、第一種接地電極４の貴金属耐消耗部１４の先端部側面は、中心電極３側の貴金属耐消耗部１３の先端面１３ｔと対向して第一種火花放電ギャップｇｔを形成している。また、第二種接地電極５の貴金属耐消耗部１５の先端面は、貴金属耐消耗部１３の周側面１３ｐと対向して第二種火花放電ギャップｇｐを形成している。この構造のスパークプラグは、以下の理由により製造が容易である利点がある。
・電極母材４ｍ，５ｍの曲げ加工が不要である。
・貴金属耐消耗部１４及び１５の溶接端が火花放電ギャップｇｔ，ｇｐから離れているために、抵抗溶接でも十分な接合強度が確保できる。
・貴金属耐消耗部１４及び１５は、貴金属線材を切断することにより容易に形成できる。
【００４２】
以上説明したスパークプラグ１００〜１０４は、いずれも第一種火花放電ギャップｇｔと第二種火花放電ギャップｇｐが、別体の第一種接地電極４と第二種接地電極５とにより形成されていたが、図１５に示すスパークプラグ１０５のように、１つの接地電極８により２種の火花放電ギャップｇｔ，ｇｐを一括形成することもできる。
【００４３】
すなわち、１つの接地電極８の少なくとも先端部を貴金属耐消耗部１８として形成する。該貴金属耐消耗部１８の側面を中心電極３の先端面と対向する位置関係にて配置する。その側面に、中心電極３の軸線Ｏ方向を深さ方向とする有底の凹部を形成し、その凹部に中心電極３の先端部を挿入配置する。そして、該凹部の底面１８ｔと中心電極３の先端面１３ｔとの間に第一種火花放電ギャップｇｔを形成し、同じ凹部の内側面１８ｐと中心電極３の先端部周側面１３ｐとの間に第二種火花放電ギャップｇｐを形成する。２つの火花放電ギャップｇｔ，ｇｐが形成されるにもかかわらず、接地電極８の数が１つで済むので、材料コスト及び組立てコストの双方の観点から経済的である。図１５の実施形態においては、軸状の電極母材８ｍの先端面に棒状の貴金属耐消耗部１８を、溶接部Ｗを介して接合し、貴金属耐消耗部１８の先端面に開放する凹部を形成している。従って、第二種火花放電ギャップｇｐは、凹部の非開放側の内側面との間に１個のみ形成されている。
【００４４】
なお、中心電極３側の貴金属発火部１３は、既に説明済みのスパークプラグ１００〜１０４と同様に形成される。なお、図１６に示すように、電極母材３ｍの先端に縮径部３ｑを形成し、その縮径部にカップ状の貴金属部材を被せて溶接部Ｗにより固定すれば、貴金属使用量を削減できるので経済的である。この形態は、スパークプラグ１００〜１０４にも同様に適用できる。
【００４５】
上記スパークプラグ１０５においては、図１７に示すように、第一種火花放電ギャップｇｔと第二種火花放電ギャップｇｐとが空間的に一体不可分に形成されることとなる。しかし、図３〜図５を用いて説明した定義によれば、各火花放電ギャップｇｔ，ｇｐの電極対向面積Ａは、互いに分離した形で一義的に決定することができる。
【００４６】
また、図１８のスパークプラグ１０６に示すように、貴金属耐消耗部１８に形成する凹部は、貴金属耐消耗部１８の先端面側にも内側面１８ｐを形成して、当該先端面側を非開放とすることもできる。このようにすると、接地電極８の長手方向において、第二種火花放電ギャップｇｐを２箇所に形成することができ、スパークプラグの寿命向上を図る上でより有利となる。図１８においては、貴金属耐消耗部１８の長手方向中間部を、プレス加工等により曲げ変形させることにより凹部を形成している。従って、貴金属耐消耗部１８の凹部開口側と反対側の面には、凹部形成位置に対応して凸部１８ｖが形成されている。他方、図１９に示すように、該凸部１８ｖが形成されないように凹部を形成してもよい。このような凹部は、切削、据え込みあるいはコイニング加工により形成できる。
【００４７】
また、図２０に示すスパークプラグ１０７は、全体が貴金属耐消耗部１８とされた（つまり、貴金属ムク材にて構成された）接地電極８により、第一種火花放電ギャップｇｔと第二種火花放電ギャップｇｐとを一括形成した例である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態に係るガスエンジン用スパークプラグの縦半断面図。
【図２】図１の要部を拡大して示す半断面図。
【図３】電極対向面積の定義方法を説明する第一の図。
【図４】同じく第二の図。
【図５】同じく第三の図。
【図６】本発明の第二実施形態に係るガスエンジン用スパークプラグの要部縦半断面図。
【図７】図６の平面模式図。
【図８】その変形例を示す平面模式図。
【図９】図８の変形例に使用する貴金属部材の説明図。
【図１０】図７の別の変形例を示す平面模式図。
【図１１Ａ】本発明の第三実施形態に係るガスエンジン用スパークプラグの要部斜視図及び平面模式図。
【図１１Ｂ】図１１Ｂの平面模式図。
【図１２】本発明の第四実施形態に係るガスエンジン用スパークプラグの要部斜視図。
【図１３】図１２の変形例を示す部分断面図。
【図１４】本発明の第五実施形態に係るガスエンジン用スパークプラグの要部側面図。
【図１５】本発明の第六実施形態に係るガスエンジン用スパークプラグの要部側面図。
【図１６】中心電極側の貴金属耐消耗部の形成形態の変形例を示す断面図。
【図１７】図１５のスパークプラグにおける電極対向面積の概念を説明する図。
【図１８】本発明の第七実施形態に係るガスエンジン用スパークプラグの要部側面図。
【図１９】図１８の変形例を示す要部側面図。
【図２０】本発明の第八実施形態に係るガスエンジン用スパークプラグの要部側面図。
【図２１】ギャップ間隔と電極対向面積との関係を調べた実験結果を示すグラフ。
【図２２】飛火単位消耗体積と電極対向面積との関係を調べた実験結果を示すグラフ。
【図２３】スパークプラグ寿命と電極対向面積との関係を調べた実験結果を示すグラフ。
【符号の説明】
３中心電極
３ｍ電極本体
Ｗ溶接部
ｇｔ，ｇｐ火花放電ギャップ
ｇｔ第一種火花放電ギャップ
ｇｐ第二種火花放電ギャップ
４，５，８接地電極
１３，１４，１８貴金属耐消耗部
１３ｔ先端面
１３ｐ周側面
１５ｐ先端面
１８ｔ凹部の底面
１８ｐ凹部の内側面

Claims

１つの中心電極（３）と、先端部が前記中心電極（３）の先端部に対向する形で配置され、前記中心電極（３）との間に火花放電ギャップ（ｇｔ，ｇｐ）を形成する１又は複数の接地電極（４，５，８）とを備え、それら中心電極（３）と接地電極（４，５，８）との、前記火花放電ギャップ（ｇｔ，ｇｐ）を挟んで対向する部分が少なくとも、貴金属を主成分とする貴金属耐消耗部（１３，１４，１５，１８）とされ、かつ、該火花放電ギャップ（ｇｔ，ｇｐ）の間隔Ｂが０．２ｍｍ以上０．７ｍｍ以下に調整され、
前記火花放電ギャップ（ｇｔ，ｇｐ）は、前記中心電極（３）の先端面（１３ｔ）に前記接地電極（４，８）が対向して形成されるものを第一種火花放電ギャップ（ｇｔ）とし、前記中心電極（３）の周側面（１３ｐ）に前記接地電極（５，８）が対向して形成されるものを第二種火花放電ギャップ（ｇｐ）として、１つの第一種火花放電ギャップ（ｇｔ）と１以上の第二種火花放電ギャップ（ｇｐ）とを含む複数個、もしくは２以上の第二種火花放電ギャップ（ｇｐ）を含む複数個が形成されてなり、さらに、
それら複数個の火花放電ギャップ（ｇｔ，ｇｐ）のそれぞれについて、前記中心電極（３）と前記接地電極（４，５，８）との、前記間隔Ｂを満たす前記火花放電ギャップ（ｇｔ，ｇｐ）を挟んだ電極対向面積をＡ（単位：ｍｍ^２）として、該電極対向面積Ａと前記火花放電ギャップ（ｇｔ，ｇｐ）の間隔Ｂ（単位：ｍｍ）との間に、
Ｂ≧０．１ｅｘｐ（Ａ／４）
の関係が成り立っていることを特徴とするガスエンジン用スパークプラグ。
複数個の火花放電ギャップ（ｇｔ，ｇｐ）のそれぞれについて、前記電極対向面積Ａが２．７ｍｍ^２以上７ｍｍ^２以下に調整されてなる請求項１記載のガスエンジン用スパークプラグ。
前記中心電極（３）の、先端面（１３ｔ）と該先端面（１３ｔ）に連なる周側面先端部（１３ｐ）とを含む部分が、一体の貴金属耐消耗部（１３）として形成され、
また、前記接地電極として、側面（１４ｔ）を前記貴金属耐消耗部（１３）の先端面（１３ｔ）と対向させることにより前記第一種火花放電ギャップ（ｇｔ）を形成する第一種接地電極（４）と、該第一種接地電極（４）とは別体であり、先端面（１５ｐ）を前記貴金属耐消耗部（１３）の周側面と対向させることにより前記第二種火花放電ギャップ（ｇｐ）を形成する第二種接地電極（５）とが設けられてなる請求項１又は２に記載のガスエンジン用スパークプラグ。
前記中心電極（３）の軸線（Ｏ）方向において、前記貴金属耐消耗部（１３）の先端面（１３ｔ）が位置する側を前方側としたとき、該貴金属耐消耗部（１３）の周側面（１３ｐ）に対向する、前記第二種接地電極（５）の先端面（１５ｐ）の、前記軸線（Ｏ）方向における前端縁位置（Ｘ１）が、前記貴金属耐消耗部（１３）の先端面位置（Ｙ１）よりも後方側に位置してなる請求項３記載のガスエンジン用スパークプラグ。
前記中心電極（３）は、Ｎｉ又はＦｅのいずれかを主成分とした金属よりなる軸状の電極本体（３ｍ）の先端面に貴金属部材を重ね合わせ、その重ね合わせ面の周方向に沿って環状の溶接部（Ｗ）を形成することにより前記貴金属耐消耗部（１３）を形成したものであり、
また、前記接地電極として、先端面（１５ｐ）を前記貴金属耐消耗部（１３）の周側面と対向させることにより前記第二種火花放電ギャップ（ｇｐ）を形成する第二種接地電極（５）が設けられ、前記中心電極（３）の軸線（Ｏ）方向において、前記貴金属耐消耗部（１３）の先端面（１３ｔ）が位置する側を前方側としたとき、該貴金属耐消耗部（１３）の周側面（１３ｐ）に対向する前記第二種接地電極（５）の先端面（１５ｐ）の、前記軸線（Ｏ）方向における後端縁位置（Ｘ２）が、前記溶接部（Ｗ）の前端縁位置（Ｙ２）よりも前方側に位置してなる請求項１ないし４のいずれか１項に記載のガスエンジン用スパークプラグ。
前記第二種接地電極（５）が、前記中心電極（３）の周囲に複数個配置されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載のガスエンジン用スパークプラグ。
前記接地電極として、１つの接地電極（８）の少なくとも先端部を前記貴金属耐消耗部（１８）として形成し、かつ、該貴金属耐消耗部（１８）の側面に、前記中心電極（３）の軸線（Ｏ）方向を深さ方向とする有底の凹部を形成し、その凹部に前記中心電極（３）の先端部を挿入配置して、該凹部の底面（１８ｔ）と前記中心電極（３）の先端面（１３ｔ）との間に前記第一種火花放電ギャップ（ｇｔ）を形成し、同じ凹部の内側面（１８ｐ）と前記中心電極（３）の先端部周側面（１３ｐ）との間に前記第二種火花放電ギャップ（ｇｐ）を形成した請求項１又は２に記載のガスエンジン用スパークプラグ。
１つの中心電極（３）と、先端部が前記中心電極（３）の先端部に対向する形で配置され、前記中心電極（３）との間に火花放電ギャップ（ｇｐ）を形成する接地電極（５）とを備え、それら中心電極（３）と接地電極（５）との、前記火花放電ギャップ（ｇｐ）を挟んで対向する部分が少なくとも、貴金属を主成分とする貴金属耐消耗部（５）とされ、かつ、該火花放電ギャップ（ｇｐ）の間隔Ｂが０．２ｍｍ以上０．７ｍｍ以下に調整され、
前記火花放電ギャップ（ｇｐ）は、前記中心電極（３）の周側面（１３ｐ）と前記接地電極（５）に形成された穴又は切欠きの内周面とが対向するものとして形成されてなり、さらに、
前記火花放電ギャップ（ｇｐ）は、前記中心電極（３）と前記接地電極（５）との、前記間隔Ｂを満たす前記火花放電ギャップ（ｇｐ）を挟んだ前記中心電極の電極対向面積をＡ（単位：ｍｍ^２）として、該電極対向面積Ａと前記火花放電ギャップ（ｇｐ）の間隔Ｂ（単位：ｍｍ）との間に、
Ｂ≧０．１ｅｘｐ（Ａ／４）
の関係が成り立っていることを特徴とするガスエンジン用スパークプラグ。