JP4100725B2 - 内燃機関用スパークプラグ - Google Patents

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    • H01T13/467Sparking plugs having two or more spark gaps in parallel connection

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用のスパークプラグに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、自動車などに使用される内燃機関においては、環境問題あるいは地球資源問題に対するグローバルな立場から、燃費低減が強力に推進されてきている。その具体的手段として、特にガソリンエンジンでは、高圧縮化、希薄混合気によるリーンバーン化等により対応がなされてきている。しかしながら、これらの対応は、スパークプラグの放電電圧を非常に高くする傾向にある。放電電圧の上昇は、点火システムでの絶縁破壊にたいする余裕度の縮小の他に、特にスパークプラグのスパークギャップ以外の箇所での放電発生を引き起こし易くし、そのためにアイドルが不安定になることも、予測されるところである。そしてさらに、放電電圧の上昇は、電極消耗によってさらに加速化されることから、放電電圧の低いスパークプラグに対するニーズは大きい。
【0003】
このような、ニーズを満足するスパークプラグとして、例えば、特開平5−326107号公報に開示されるようなスパークプラグがある。該スパークプラグは、放電電圧の低電圧化、及び電極消耗を抑制するために接地電極を複数本付設している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記スパークプラグは、第2接地電極の影響が十分配慮されていないため、より一層の放電電圧の低減と、耐摩耗性向上を十分発揮することができないという問題点を有する。
【0005】
そこで、本発明は、上記課題に対処するために、複数の接地電極を備えたスパークプラグにおいて、数々の実験結果に基づき、該接地電極の仕様を詳細に検討することにより、放電電圧が低く、しかも着火性ひいてはドライバビリティ、及び耐熱性に優れたスパークプラグを提供することを目的とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の内燃機関用スパークプラグは、貫通孔を有する絶縁碍子と、前記貫通孔の一端に保持された中心電極と、前記貫通孔の他端に備えられ前記中心電極と電気的に導通された電圧伝達手段と、前記絶縁碍子を保持するハウジングと、一端が前記ハウジング一端面に電気的に導通されるとともに、他端が前記中心電極の先端部との間で第1のスパークギャップを形成する第1接地電極と、一端が前記ハウジングに電気的に導通されるとともに、他端が前記中心電極の側面との間で第2のスパークギャップを形成する第2接地電極とからなり、
前記第1接地電極の幅をA、第2接地電極の幅をBとし、前記第1のスパークギャップの間隙をg1 、前記第2のスパークギャップの間隙をg2 とするとき、
0.5≦ΣBn/A≦1.5 (但し、nは第2接地電極の数であって、n≧2とする
0.2 mm ≦g 2 −g 1 ≦0.4 mm
の関係を満たすことを特徴とするものである。
【0007】
そして、前記第1接地電極の先端部、又は中心電極の先端部の少なくとも一方には貴金属または貴金属合金からなる先端電極が設置されている。
【0010】
そして、第2のスパークギャップは、
2 ≧0.9mm
の関係を満たし、
また、第2のスパークギャップは、
2 ≧1.1mm
の関係をも満たしている。
【0011】
さらに、前記第1電極の先端部には白金または白金合金、イリジウム又はイリジウム合金からなる先端電極が設置され、また、中心電極の先端部はイリジウムまたはイリジウム合金線にて形成されている。
また、前記第1電極の先端部には白金または白金合金、イリジウム又はイリジウム合金からなる先端電極が設置され、また、中心電極の先端部は白金又は白金合金にて形成されている。
【0013】
そして、本発明においては、請求項1の構成とすることにより、スパークギャップを特定することにより、複数の第2接地電極を設けることにより、中心電極周囲の等電位面を収れんさせ、電界を強くさせることができるので、中心電極と第1接地電極により構成される第1のスパークギャップのみで容易に火花放電を生じさせることができる。さらに、本発明においては、第1接地電極の幅と第2接地電極の幅とを所定の関係とすることにより、従来の第2接地電極の幅よりも狭い第2接地電極を採用することにより、第2接地電極のエッジ効果により、電界強度をさらに強くすることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図1は、本発明の第1実施形態である内燃機関用スパークプラグの半断面概略図であり、図2(a)は、該スパークプラグの要部拡大正面図であり、図2(b)は、該スパークプラグの要部拡大側面図である。図において、内燃機関用スパークプラグ1は、貫通孔2を有し、アルミナ等からなる絶縁碍子3と、銅等の金属性リング4及びパッキン5を介して上記絶縁碍子3を内部に固定保持する低炭素鋼等の金属製ハウジング6とから構成される。上記貫通孔2の先端には、貴金属又は貴金属合金からなる先端電極7を備えたニッケル合金等の耐熱耐食材料からなる中心電極8が保持され、上記貫通孔2の後端には、鉄等の金属材料からなる端子電極10が保持されている。また、絶縁碍子3に内封された導電性ガラス11及び抵抗体12は上記中心電極8及び端子電極10間に挾持されている。上記ハウジング6には、ネジ部13が設けられ、且つ該ハウジング先端面15には、ニッケル合金等の耐熱耐食材料からなる湾曲した第1接地電極16が固定されている。該第1接地電極16の先端部17には、白金等の貴金属または貴金属合金からなる先端電極18が設置され、該先端電極18の先端面18aは、上記中心電極8に備えられた先端電極7の先端電極面7aと軸方向に対向して間隙g1 を有する第1のスパークギャップ20を形成している。さらに、上記ハウジング先端面15には、上記第1接地電極16よりも小さな一対の湾曲した第2接地電極21が各々第1接地電極16から90度離れた位置に対向して固定されている。そして、該第2接地電極21の先端面21aは、上記中心電極8の側周面8aに対向して配置されており、間隙g2 を有する第2のスパークギャップ22を形成している。また、夫々、上記第1接地電極16は幅Aを、第2接地電極21は幅Bを有する。
【0015】
そして、高電圧は、上記端子電極10と上記ハウジング6との間に印加され、該端子電極10、導電性ガラス11、抵抗体12から構成される電圧伝達手段によって第1、または、第2スパークギャップ20,22に伝達される。
【0016】
次に、放電電圧が低く、しかも着火性、ひいてはドライバビリティ、及び耐熱性に優れたスパークプラグを創出するために、まず、放電電圧評価用供試スパークプラグを用意した。該スパークプラグは、第1接地電極16の幅Aを2.8mm及び2.4mmとし、第2接地電極21の幅Bを0.5mmから2.5mmとした。さらに、第1のスパークギャップg1 を1.1mm、第2のスパークギャップg2 を1.3mmとした。また、バリ等の影響を排除するため、中心電極8の先端電極面7aの周辺、及び第1、第2接地電極16,21の先端面18a,21aの周辺を研削し、放電電圧を測定した。測定結果を図3に示す。実験方法については、4気筒1800ccのエンジンを使用し、一般に放電電圧が高くなる、アイドリングからスロットルを全開にするレーシング条件で行い、10回実施中の最高値をプロットした。放電電圧については、図3から理解できるように、第1接地電極16の幅Aが2.8mmにおいても2.4mmにおいても、ほぼ同結果となり、ΣBn /Aの値が小さくなるほど放電電圧が低下する傾向にあり、特に、ΣBn /A=1.5以下において放電電圧が低下する効果が顕著である。これは、第2接地電極21により、強磁界部位を中心電極8近傍に集中させる効果を、特に、該第2接地電極21の幅Bを細くすることにより、更に高めることができたためである。但し、ΣBnは各第2接地電極の幅の和であり、nは第2接地電極の数を表わす。従って、例えば、第2接地電極が3個あれば、ΣBn=B1 +B2 +B3 となる。
【0017】
次に、前記放電電圧のときと同仕様のスパークプラグを用いて、耐熱性実験を実施した。耐熱性の評価を実施した結果を図4に示す。評価方法としては、全負荷6000rpm にてエンジンを運転しつつ点火時期を進め、プレイグニッションが発生する点火時期を調査した。図4は、第1接地電極16の幅A=2.8mmと一定として第2接地電極21の幅Bを変更していったときの結果を示したものである。その結果、ΣBn /Aの値が大きくなるに従い、プレイグニッションが発生する点火時期は徐々に低下し、耐熱性が悪化する傾向にあり、特に、ΣBn /Aの値が1.5を越えると、耐熱性が悪化する傾向が顕著になってくる。
【0018】
以上の結果より、放電電圧が低く且つ耐熱性に優れたスパークプラグとしては、ΣBn /Aの値を1.5以下にすることが必要であることを見い出した。一方、第2接地電極21の幅Bは、高温の燃焼ガスによる耐食性を考慮すると、0.75mm以上が望ましく、また、第1接地電極16の幅Aは、消炎作用増大による着火性能低下の点からすると3.0mm以下が望ましいことから、総合的にみて、ΣBn /Aの値は0.5以上とすることが望ましい。
【0019】
次に、着火性向上策について検討した結果を説明する。着火性を向上させるためには、上記第1のスパークギャップ20に限定してスパークを発生させる必要がある。そこで、第1のスパークギャップ20の間隙g1 を0.8mmから1.4mmまで0.1mm毎に変更し、また、第2のスパークギャップ22の間隙g2 も0.8mmから1.6mmまで0.1mm毎に変更したスパークプラグを試作し、可視化できる気密容器内に空気を封入したエンジン模擬ベンチにおいてスパークプラグの放電状況を観察した。尚、第1接地電極16の幅Aは2.8mm、第2接地電極21の幅Bは1.4mmとし、且つ、気密容器内の圧力は通常のエンジン運転条件での放電電圧と略等しくなる条件である4kg/cm2 で実施した。実施結果を図5に示す。図中、○印で示した点は、第1のスパークギャップ20で飛火し且つ第2接地電極21による放電電圧の低減効果のある領域を表わしたものである。図5の内容からも判明するところであるが、第2のスパークギャップg2 と第1のスパークギャップg1 との差(g2 −g1 )は、−0.1mmより大きければ、常時、第1のスパークギャップg1 で飛火することが判明した。即ち、中心電極8の先端電極面7aからの方が、中心電極8の側周面8aよりもエッジ効果のため電界強度が強く、たとえ、第1のスパークギャップg1 が第2のスパークギャップg2 より0.1mm大きくても、第1のスパークギャップg1 で飛火することが判明した。また、図5において、△印で示した点は、第1のスパークギャップg1 に対して第2のスパークギャップg2 が大きすぎるため、第2接地電極21による放電電圧低減効果がほとんどみられない領域を示している。
【0020】
以上より、放電部位を第1のスパークギャップg1 に限定して着火性を向上させることにより、エンジンのトルク変動を抑制するとともに、第2接地電極21による放電電圧低減効果を発揮させることができる第1、第2のスパークギャップg1 ,g2 の関係として、
−0.1mm≦g2 −g1 ≦0.4mm
の関係を見い出した。
ここで、中心電極及び第1接地電極に貴金属または貴金属合金からなる先端電極が設置されてなるスパークプラグにおいては、一般的に走行距離10万km以上の耐久寿命が必要とされ、その時のチップ消耗によるg1 の拡大を考慮すると望ましくは
0.1mm≦g2 −g1 ≦0.4mm
の関係を満足する必要がある。
【0021】
前記プラグにおいて低温始動性について検討した結果を説明する。始動時において、燃焼にいたる前のクランキング時には、噴射された微粒燃料が電極に付着し、それが堆積すると、ギャップ間をブリッジ(橋絡)する様に付着する場合がある。この傾向は、特に、第2スパークギャップg2 間で顕著に見られ、大幅に始動性が悪化し、始動不良にいたる場合がある。そこで、第2スパークギャップを各種変更して始動性を評価し、最適値を求めた。
図6は一般の寒冷地に相当する−15℃の低温試験室において評価した結果を示す。
供試エンジンは、4気筒2000℃の乗用車用エンジン単体で行った。プラグは第1実施形態に示すプラグにおいて第1スパークギャップg1 を0.8mmに固定し、第2スパークギャップg2 を0.8mmから1.2mmまで0.1mmづつ変更した。尚、第2接地電極幅は2.0mm、第1接地電極幅は2.8mmで実施した。図6より、第2のスパークギャップg2 が、0.9mm以上では始動性は全く問題なかった。
一方g2 を0.8mmと小さくすると始動性が大幅に悪化した。これは前述した様に、第2のスパークギャップg2 が小さいと、クランキング途中に燃料のブリッジ(橋絡)が生じる場合があり、該ブリッジ(橋絡)により失火が生起し、始動性の悪化にいたったものと推定される。
よって一般の寒冷地を想定した場合、
2 ≧0.9mmの関係を満たす必要がある。
【0022】
次に図7に極寒冷地に相当する−30℃の温度の低温試験室において評価した結果を示す。
供試エンジンおよびプラグは前記のもので実施した。その結果第2スパークギャップg2 は1.1mm以上にしないと始動性が悪化することがわかった。温度が−15℃の試験よりも第2スパークギャップg2 を広くしないと始動性が確保できない理由としては、温度が−30℃では燃料の霧化が悪く、燃料粒径も大きいため、より電極表面に付着しやすく、又、燃料ブリッジ(橋絡)発生の頻度がふえるためと思われる。よって極寒冷地の始動性を確保するためにはg2 ≧1.1mmの関係を満たす必要がある。
−15℃、−30℃の温度における始動試験において、第1スパークギャップを1.2mmまで広げて同様な評価を行ったが、結果は同じであった。
【0023】
図8は、本発明の第2実施形態を示す要部拡大正面図である。本実施形態においては、中心電極8の先端、及び第1接地電極16に貴金属又は貴金属合金チップを配置していない点が第1実施形態と相違することろである。しかし、第1実施形態のスパークプラグと同様に試作して実験を実施したところ、第1実施形態の効果と同様の効果を得ることができた。
そして、中心電極先端部および接地電極先端部に貴金属または貴金属合金チップが設置されていないスパークプラグにおいては、一般的に走行距離5万km以上の耐久寿命が必要とされ、その時の電極消耗によるg1 の拡大を考慮すると望ましくは
0.2mm≦g2 −g1 ≦0.4mm
の関係を満足する必要がある。
【0024】
図9は、本発明の第3実施形態を示す要部拡大正面図である。本実施形態においては、中心電極8のうち、碍子3の燃焼室側端部より突き出した中心電極先端部8′を耐熱貴金属であるイリジウムまたはイリジウム合金線にて形成し、また、第1接地電極16の先端電極18には、第1実施例と同様に白金チップを使用している。そして、第1実施形態のスパークプラグと同様に試作して実験を実施したところ、第1実施形態の効果と同様の効果を得ることができた。
【0025】
【発明の効果】
本発明においては、請求項1の構成とすることにより、スパークギャップを特定することにより、第2接地電極を設けることにより、中心電極周囲の等電位面を収れんさせ、電界を強くさせることができるので、中心電極と第1接地電極により構成される第1のスパークギャップのみで容易に火花放電を生じさせることができる。さらに、本発明においては、第1接地電極の幅と第2接地電極の幅とを所定の関係とすることにより、従来の第2接地電極の幅よりも狭い第2接地電極を採用することにより、第2接地電極のエッジ効果により、電界強度をさらに強くすることができる。
【0026】
請求項の内燃機関用スパークプラグにおいては、寒冷地における低温始動性を、また、請求項の内燃機関用スパークプラグにおいては、極寒冷地における低温始動性をも向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例である内燃機関用スパークプラグの半断面概略図である。
【図2】本発明の第1実施例である内燃機関用スパークプラグの要部拡大図であり、図2(a)は要部拡大正面図、図2(b)は要部拡大側面図である。
【図3】本発明における実験1の評価結果を示すグラフである。
【図4】本発明における実験2の評価結果を示すグラフである。
【図5】本発明における実験3の評価結果を示すグラフである。
【図6】本発明における第1実施例を一般の寒冷地に相当する−15℃の温度の低温試験室において評価した結果を示すグラフである。
【図7】本発明における第1実施例を極寒冷地に相当する−30℃の温度の低温試験室において評価した結果を示すグラフである。
【図8】本発明の第2実施例である内燃機関用スパークプラグの要部拡大正面図である。
【図9】本発明の第3実施例である内燃機関用スパークプラグの要部拡大正面図である。
【符号の説明】
1…内燃機関用スパークプラグ
2…貫通孔
3…絶縁碍子
6…ハウジング
8…中心電極
10…端子電極
11…導電性ガラス
12…抵抗体
16…第1接地電極
20…第1のスパークギャップ
21…第2接地電極
22…第2のスパークギャップ

Claims (6)

  1. 貫通孔を有する絶縁碍子と、前記貫通孔の一端に保持された中心電極と、前記貫通孔の他端に備えられ前記中心電極と電気的に導通された電圧伝達手段と、前記絶縁碍子を保持するハウジングと、一端が前記ハウジング一端面に電気的に導通されるとともに、他端が前記中心電極の先端側との間で第1のスパークギャップを形成する第1接地電極と、一端が前記ハウジングに電気的に導通されるとともに、他端が前記中心電極の側面との間で第2のスパークギャップを形成する複数の第2接地電極とからなり、
    前記第1接地電極の幅をA、第2接地電極の幅をBとし、前記第1のスパークギャップの間隙をg、前記第2のスパークギャップの間隙をgとするとき、
    0.5≦ΣBn/A≦1.5(但し、nは第2接地電極の数であって、n≧2とする)
    0.2mm≦g−g≦0.4mm
    の関係を満たすことを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
  2. 前記第1接地電極の先端部、又は中心電極の先端部の少なくとも一方に貴金属または貴金属合金からなる先端電極が設置されていることを特徴とする請求項1記載の内燃機関用スパークプラグ。
  3. 第2のスパークギャップは、
    ≧0.9mm
    の関係を満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関用スパークプラグ。
  4. 第2のスパークギャップは、
    ≧1.1mm
    の関係を満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関用スパークプラグ。
  5. 前記第1電極の先端部には白金または白金合金、イリジウム又はイリジウム合金からなる先端電極が設置され、また、中心電極の先端部はイリジウムまたはイリジウム合金線にて形成されてなる請求項1又は2に記載の内燃機関用スパークプラグ。
  6. 前記第1電極の先端部には白金または白金合金、イリジウム又はイリジウム合金からなる先端電極が設置され、また、中心電極の先端部は白金又は白金合金にて形成されてなる請求項1又は2に記載の内燃機関用スパークプラグ。
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