JP4351272B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に組み付けられて混合気への点火を行うためのスパークプラグに関するものである。

従来、自動車のエンジン等の内燃機関には点火のためのスパークプラグが用いられている。一般的なスパークプラグは、自身の先端側に火花放電のための電極を形成する中心電極と、その中心電極を軸孔内に保持する絶縁碍子と、この絶縁碍子の径方向周囲を取り囲んで保持する主体金具とを有している。そして、主体金具の外周面に形成されたねじ山をエンジン側のスパークプラグの取付孔に形成される雌ねじに螺合させることにより、スパークプラグがエンジンに取り付けられ、火花放電による混合気への点火が行われる。

近年、内燃機関の高出力化や省燃費化が進み、排気効率向上のための排気弁の大径化や冷却効率向上のためのウォータージャケットの密集化など、エンジン側の設計の自由度の確保の点から取付孔の小径化が求められている。そこで、小径化の難しいねじ山を主体金具の外周面の後端側に配置させ、先端側の外周面をねじなし（非形成）としたスパークプラグが知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、主体金具の先端（切頭円錐形部分）をテーパ状に構成し、その先端から、別体で細径のスリーブを軸合わせした状態で突出させると共に係止させ、この状態で、スリーブの先端側にて火花放電が行われるようにすることで、主体金具よりも先端側の構成の小径化を実現している。このようにすれば、取付孔内にてスリーブが配置される部位であって燃焼室に近い側の部位の内径を小さくすることができ、その周辺に配置する部品のレイアウトの自由度を高め、排気弁の大径化やウォータージャケットの密集化を図ることができる。

一方、同様に、主体金具の外周面の後端側にねじ山を配置させて先端側の外周面をねじなし（非形成）とし、この先端側においてテーパ状のシール部（段部）を設け、その段シール部よりもさらに先端側の部分の外径を小さくしたスパークプラグも知られている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２では、このシール部が取付孔の内周面に設けた段部に当接し、スパークプラグ自身を係止させると共に燃焼室の封止を行う構成であるが、そのシール部をより燃焼室に近づけて、燃焼室から見た取付孔の内周面と主体金具の外周面との間のクリアランスの奥行きを規制している。このようにすれば、内燃機関の稼働時に燃焼ガスや煤等の異物がクリアランス内に入り込む量を制限することができ、熱伝導率の低下を防止してスパークプラグの熱引きを良好に行うことができる。
特表２０００−５０４８７５号公報 特開２００６−１２４６４号公報

しかしながら、特許文献１のスパークプラグでは、スリーブと主体金具とが別体であるため、主体金具の軸線とスリーブの軸線との間に軸ずれが生ずる虞がある。このため、取付孔の内径とスリーブの外径との差の精度を高めるとスパークプラグの取り付け時に挿入が困難となる場合があるため、両者間のクリアランスを大きく取らざるを得ない。すると、内燃機関の稼働時に、燃焼ガスや煤等の異物がクリアランス内に入り込み、熱伝導率が低下してスパークプラグが蓄熱してしまう場合がある。

一方、特許文献２のスパークプラグでは、シール部を燃焼室に近づける構成であるため、シール部より後端側の外径の大きな部位が燃焼室に近い位置まで配置されることとなり、その周辺における他の部品の配置レイアウトの自由度が低下し、延いてはエンジン設計の自由度が低下するという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、主体金具の小径化によりエンジン設計の自由度を高めつつも熱引きを良好に行うことができるスパークプラグを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明のスパークプラグは、中心電極と、軸線方向に延びる軸孔を有し、前記中心電極を前記軸孔内の先端側に保持する絶縁碍子と、前記軸線方向に延びる筒孔を有し、当該筒孔内に前記絶縁碍子の少なくとも一部を保持する主体金具とを備えたスパークプラグであって、前記主体金具は、自身の外周面の少なくとも一部に、雌ねじが形成された内燃機関の取付孔に螺合するためのねじ山が形成された取付部と、前記取付部の先端側にて前記取付部と一体に、且つ前記取付部よりも小径に形成される筒状部と、前記筒状部と前記取付部との間の外周面を接続し、テーパ状に形成されるシール部と、自身の後端に設けられ、加締めにより前記絶縁碍子を前記筒孔内に保持するための加締め部と、前記取付部と前記加締め部との間に設けられ、前記加締め部の加締めと共に変形する座屈部とを有し、前記取付部に形成された前記ねじ山の前記軸線方向における長さをＡとし、前記筒状部の前記軸線方向における長さをＢとしたときに、Ａ＜Ｂが満たされることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明のスパークプラグは、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記主体金具は、前記筒孔の内周面に、前記加締め部の加締めによって前記加締め部との間で前記絶縁碍子を前記軸線方向に挟んで保持するため、内側に向けて棚状に突設された棚部を有し、前記軸線方向において、前記絶縁碍子の先端位置と前記棚部の形成位置との間の長さをＣとしたときに、Ｂ＞Ｃが満たされることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明のスパークプラグは、請求項２に記載の発明の構成に加え、前記軸線方向において、前記主体金具の前記シール部は、前記棚部よりも後端側にあることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明のスパークプラグは、請求項２または３に記載の発明の構成に加え、前記軸線方向における前記ねじ山の長さＡが、１０≦Ａ≦２０（ｍｍ）を満たし、前記軸線方向における前記筒状部の長さＢが、１２≦Ｂ≦３０（ｍｍ）を満たすと共に、前記軸線方向における前記絶縁碍子の先端位置と前記棚部の形成位置との間の長さＣが、Ｃ≦１２ｍｍを満たすことを特徴とする。

請求項１に係る発明のスパークプラグでは、主体金具を構成する取付部と、その取付部の先端側にて取付部よりも小径の筒状部とが一体に形成されているので、取付部と筒状部との間において軸ずれが生じない。また、主体金具の後端に設けられた加締め部を加締めることにより主体金具の筒孔内に絶縁碍子が保持されるが、その加締めと共に変形される座屈部が取付部よりも後端側に設けられているため、取付部と筒状部との位置関係は不変であり、座屈部の変形による軸ずれが生ずることはない。このため、内燃機関の取付孔の形成精度を高め、取付孔にスパークプラグを取り付けた場合の筒状部の外周面と取付孔の内周面との間のクリアランスをより小さく構成しても、スパークプラグの取り付けが困難とはなり難い。そしてクリアランスを小さくできれば、内燃機関の稼働に伴う燃焼ガスや煤等の異物をクリアランスに入り込ませ難くすることができる。従って、クリアランスを介した筒状部と取付孔との間の熱伝導率は低下し難くなり、筒状部からでも十分にスパークプラグの熱引きを行うことができる。

もっとも、取付孔の内周面と筒状部の外周面とが密接しているわけではないので、より効果的な熱引きを行うことができる構成として、筒状部の軸線方向における長さが、取付部に形成されたねじ山の軸線方向における長さよりも長く形成されていることが望ましい。上記のような長さ条件を有することにより、筒状部の外周面は、広い面積をもって取付孔の内周面に対し近接配置（一部は密接配置となる場合もある。）されることとなる。この筒状部より後端側には取付孔に密接するシール部が設けられており、燃焼室からの熱が筒状部内を伝達されシール部から取付孔へ逃がされる過程において、その一部の熱を筒状部から効果的に取付孔へ逃がすことができ、スパークプラグ全体としての熱引き性能を高め、プレイグニッションを防止することができる。さらに、小径の筒状部を長く形成することにより、取付孔の先端側において内径の小さい部位を長く確保することができ、その部位周辺における他の部品の配置レイアウトの自由度を高め、延いてはエンジン設計の自由度を高めることができる。

また、燃焼室から絶縁碍子に伝えられる熱を効果的に主体金具に逃がすには、軸線方向において、絶縁碍子を支持する棚部が筒状部の途中に設けられていることが望ましい。こうした構成を実現するには、請求項２に係る発明のように、軸線方向において筒状部の長さが絶縁碍子の先端位置と棚部の形成位置との間の長さよりも長く形成されていることが望ましい。上記のように筒状部では取付孔へ熱引きが行われており、その筒状部の途中に棚部が形成されることにより、絶縁碍子よりは低温となる筒状部への熱の移動を円滑に行うことができる。これにより、絶縁碍子は比較的早い段階、すなわち熱源となる燃焼室により近い位置にて短い経路を辿り自身の熱を主体金具へ逃がすことができるので、スパークプラグの耐熱性を高めることができる。

上記のようにシール部における熱引きよって、筒状部ではシール部へ向かって熱が移動するが、棚部を介し絶縁碍子から筒状部に移動した熱も、その移動の経路に合流することとなる。このとき請求項３に係る発明のように、軸線方向においてシール部が棚部よりも後端側にあることにより、熱の移動経路がその合流位置において燃焼室すなわち熱源から遠ざかる方向となるため熱の移動を円滑に行うことができ、絶縁碍子の熱引きをより効果的に行うことができる。

このようなスパークプラグでは、請求項４に係る発明のように、１０≦Ａ≦２０（ｍｍ）を満たし、１２≦Ｂ≦３０（ｍｍ）を満たすと共に、Ｃ≦１２ｍｍを満たすことが望ましい。Ａが１０ｍｍ未満であると、スパークプラグを規定の締め付けトルクで内燃機関の取付孔に締め付けたときに、主体金具のねじ山と、取付孔の雌ねじとの接触面間に生ずる面圧が大きくなって、ねじ山あるいは雌ねじに塑性変形を生じてしまう虞がある。するとねじ山と雌ねじとの間で面圧を維持できなくなり、締め付け状態に緩みを生じてしまい、燃焼室内の気密性の維持ができなくなる虞がある。

また、一般に、ねじの締め付けを行った場合、ねじ山のうち軸線方向の後端側に形成されたものほど強い面圧がかかった状態となる。スパークプラグがエンジンヘッドに取り付けられエンジンが始動し熱負荷が掛かると、その部位を基点にねじ山と雌ねじとがそれぞれ延びることとなる。主体金具と内燃機関の取付孔が形成されるエンジンヘッドとは通常、材質が異なるため熱膨張率が異なり、熱負荷によって生ずるねじ山全体の延びと雌ねじ全体の延びとの間には差が生ずる。さらに軸線方向の先端側ほど燃焼室に近く高温となるため、熱膨張率の差による延びの差は先端側ほど大きくなる。このため、ねじ山のうち軸線方向の先端側のねじ山ほど雌ねじとのずれが大きくなり、強い面圧がかかる。このずれは、ねじ山の長さＡが長いほど顕著となり、ねじ山の長さＡが２０ｍｍより大きくなると、軸線方向先端側のねじ山に大きな面圧がかかって塑性変形を生じ、ひいては締め付け状態に緩みを生じ、取付孔を介した燃焼室内の気密性を維持できなくなる虞がある。

次に、筒状部の長さＢが小さくなれば、筒状部内における熱の移動経路が短くなるため、筒状部自身の熱引きを行う点では有利となる。しかし、その移動経路において、筒状部の外周面を介して取付孔側に引かれる熱量が少なくなることから、筒状部からシール部を介して取付孔側に引かれる熱量が相対的に多くなる。このため、シール部を介して熱引き可能な絶縁碍子由来の熱量が相対的に少なくなる。筒状部の長さＢが１２ｍｍ未満ではこのような減少が顕著となり、絶縁碍子の熱引きを十分に行えなくなる虞がある。

また、上記のように取付部と筒状部は一体に形成されているが、筒状部が軸線方向に長くなるほど、両者の軸ずれを防止する上で、主体金具の成形精度をより高くする必要が生ずる。Ｂが３０ｍｍより大きくなると、取付部と筒状部との間に軸ずれが生じ、筒状部の外周面の一部が取付孔の内周面に接触した場合、その接触部位とは反対側の部位では両者の間隙が大きくなってしまい、その間隙に煤等が進入すると、筒状部の外周面と取付孔の内周面との固着を招く虞がある。

また、絶縁碍子からの熱引きを効果的に行うにはＣが１２ｍｍ以下であることが望ましく、Ｃが１２ｍｍより大きいと、絶縁碍子の受けた熱を主体金具側へ伝達する際に、絶縁碍子内で熱が移動する経路が長くなってしまい、絶縁碍子自体の耐熱性の低下を招く虞がある。

以下、本発明を具体化したスパークプラグの一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１，図２を参照して、一例としてのスパークプラグ１００の構造について説明する。図１は、スパークプラグ１００の部分断面図である。図２は、スパークプラグ１００を内燃機関のエンジンヘッド２００に組み付けた状態を示す断面図である。なお、図１において、スパークプラグ１００の軸線Ｏ方向を図面における上下方向とし、下側をスパークプラグ１００の先端側（前方）、上側を後端側（後方）として説明する。

図１に示すスパークプラグ１００は、後述する主体金具５０の取付部５２に形成されるねじ山の呼び径がＭ１２である小径のものである。スパークプラグ１００は、概略、自身の軸孔１２内の先端側に中心電極２０を保持し、後端側に端子金具４０を保持した絶縁碍子１０を、その絶縁碍子１０の径方向周囲を主体金具５０で取り囲んで保持した構造を有する。また、主体金具５０の先端面５７には接地電極３０が接合されており、その先端部３１側が中心電極２０の先端に設けられた貴金属チップ９１を臨むように屈曲されている。

まず、このスパークプラグ１００の絶縁体を構成する絶縁碍子１０について説明する。絶縁碍子１０は周知のようにアルミナ等を焼成して形成され、軸中心に軸線Ｏ方向へ延びる軸孔１２が形成された筒形状を有する。軸線Ｏ方向の中央より後端側には外径の最も大きな鍔部１９が形成されており、それより後端側（図１における上側）に後端側胴部１８が形成されている。鍔部１９より先端側（図１における下側）には後端側胴部１８よりも外径の大きな第１先端側胴部１７、およびその第１先端側胴部１７よりも外径が小さく、後端側胴部１８よりも外径の小さな第２先端側胴部１６が形成されている。更にその第２先端側胴部１６よりも先端側に、第２先端側胴部１６よりも外径の小さな脚長部１３が形成されている。脚長部１３は先端側ほど縮径されており、スパークプラグ１００が内燃機関のエンジンヘッド２００（図２参照）に取り付けられた際には、その燃焼室２１０内に晒される。そして、脚長部１３と第２先端側胴部１６との間は段部１５として形成されている。

次に、中心電極２０について説明する。中心電極２０は、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケル系合金等で形成され、内部に熱伝導性に優れる銅等からなる金属芯２３を有している。中心電極２０は、その軸線がスパークプラグ１００の軸線Ｏと一致するように絶縁碍子１０の軸孔１２内の先端側にて保持されている。中心電極２０の先端部２２は絶縁碍子１０の先端部１１の先端面１４から突出され、その突出部分は先端側に向かって径小となるように形成されている。この突出部分の先端には耐火花消耗性を向上するための貴金属チップ９１が接合されている。

また、中心電極２０は、軸孔１２の内部に設けられたシール体４およびセラミック抵抗３を経由して、上方の端子金具４０に電気的に接続されている。この端子金具４０にはプラグキャップ（図示外）を介して高圧ケーブル（図示外）が接続され、高電圧が印加されるようになっている。

次に、接地電極３０について説明する。接地電極３０は、耐腐食性の高い金属から構成された棒状の電極であり、一例として、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケル合金が用いられる。この接地電極３０は自身の長手方向の横断面が略長方形に形成されており、自身の基端部３２が、主体金具５０の先端面５７（筒状部５５の先端側の面）に溶接により接合されている。また、接地電極３０の先端部３１は、内面３３側が中心電極２０の先端部２２を臨むように屈曲され、その内面３３に接合された電極チップ９２と、中心電極２０の先端部２２に接合された貴金属チップ９１との間で火花放電間隙が形成されている。

次に、主体金具５０について説明する。図１，図２に示すように、主体金具５０は、内燃機関のエンジンヘッド２００にスパークプラグ１００を固定するための筒状の金具であり、自身の先端面５７より絶縁碍子１０の先端部１１を突出させた状態で、脚長部１３から鍔部１９にかけての部位の周囲を取り囲むようにして、絶縁碍子１０を自身の筒孔５９内に保持している。主体金具５０は低炭素鋼材より形成されており、略中央から後端側にかけて、太径の取付部５２が形成されている。この取付部５２の外周面のうち、略中央から後端にかけての部位には雄ねじ状のねじ山６０が形成されている。ねじ山６０は、内燃機関の上部に設けられるエンジンヘッド２００の取付孔２０５のうち、燃焼室２１０から遠い側の太径部２０１に形成された雌ねじ２０２と螺合して、主体金具５０を取付孔２０５内に固定するためのものである。なお、主体金具５０は耐熱性を重視し、ステンレスやインコネル等を用いてもよい。

取付部５２よりも先端側には、取付部５２より細径の筒状部５５が設けられている。この筒状部５５は、スパークプラグ１００がエンジンヘッド２００の取付孔２０５に取り付けられた際に、その取付孔２０５の太径部２０１よりも燃焼室２１０側で細径の細径部２０３内に配置される。そして筒状部５５と取付部５２との間には、テーパ状のシール部５４が形成されている。このシール部５４は、取付孔２０５の細径部２０３と太径部２０１との間でテーパ状に形成された段部２０４に当接し、取付孔２０５を介した燃焼室２１０内の気密漏れを防止するためのものである。

また、取付部５２の後端側には、図示外のスパークプラグレンチが嵌合する工具係合部５１が形成されている。工具係合部５１より後端側には薄肉の加締め部５３が設けられており、工具係合部５１と取付部５２との間には薄肉の座屈部５８が設けられている。一方、筒状部５５の形成位置における筒孔５９の内周面には、内側に向けて棚状となるように内周面を周方向に一周して突設された棚部５６が形成されている。絶縁碍子１０が筒孔５９内に保持される際には、この棚部５６に、絶縁碍子１０の段部１５が環状の板パッキン８を介して支持される。そして、加締め部５３の端部を内側に折り曲げるようにして加締めることにより、加締め部５３の内面側が絶縁碍子１０の鍔部１９に当接し、絶縁碍子１０が主体金具５０内で先端側に向け押圧される。この加締めの際に座屈部５８は加熱され、圧縮力の付加に伴い膨らむように変形されることで、加締め部５３による圧縮ストロークを稼ぐ。これにより、筒孔５９内において加締め部５３と棚部５６との間で絶縁碍子１０が確実に挟まれ保持されて、主体金具５０と絶縁碍子１０とは一体となる。板パッキン８により主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性は保持され、筒孔５９を介した燃焼ガスの流出が防止される。

このような構造を有する本実施の形態のスパークプラグ１００では、主体金具５０の取付部５２よりも先端側に形成された筒状部５５が、取付部５２と一体に形成されたことによって、両者間にて軸ずれが生じない構成となっている。これにより、取付孔２０５の内周面と主体金具５０の外周面との径差の精度を高め、両者間のクリアランスを小さく構成しても、取付孔２０５へのスパークプラグ１００の取り付けが困難とはなり難い。ところで、燃焼室２１０内での燃料の燃焼に伴い生じる、主体金具５０に伝達された熱を、主体金具５０からエンジンヘッド２００に逃がす過程において、熱の伝達はエンジンヘッド２００と主体金具５０とが密接している部位において有利に行われる。つまり、図２に示すように、主体金具５０のシール部５４と取付孔２０５の段部２０４との間や、主体金具５０の取付部５２のねじ山６０と取付孔２０５の太径部２０１の雌ねじ２０２との間において、取付孔２０５と主体金具５０とが密接状態にあり、この部位で有利に熱引きが行われる。本実施の形態では、主体金具５０の先端側に筒状部５５を設けたことにより、筒状部５５の無い場合と比べシール部５４やねじ山６０が燃焼室２１０側より遠ざかる構成となる。従って、これらシール部５４やねじ山６０を介した熱引きを行う上で主体金具５０内を流れる熱の移動経路が長くなるので、熱引き性能が低下する虞がある。そこで、シール部５４やねじ山６０からの熱引きに加え、筒状部５５からも効率のよい熱引きが行えるように、各部の大きさや配置関係を規定している。

まず、筒状部５５の軸線Ｏ方向における長さを長くすることにより、筒状部５５から取付孔２０５の細径部２０３への熱引きが広範囲にわたって行えるようにしている。具体的には、軸線Ｏ方向における筒状部５５の長さＢを、取付部５２に形成されたねじ山６０の長さＡよりも長くなるように構成している。このようにＡ＜Ｂが満たされるように構成することにより、少なくともねじ山６０と取付孔２０５との軸線Ｏ方向における接触範囲分の長さ範囲を、そのねじ山６０の形成位置よりも燃焼室２１０寄りにある筒状部５５にて確保できる。そして、筒状部５５の外周面が、広範囲すなわち広い面積をもって取付孔２０５の細径部２０３の内周面と向かい合うことで、効率的な熱引きが可能な構成とすることができる。なお、ねじ山６０の長さＡは、軸線Ｏ方向において、取付部５２に形成されたねじ山６０の両端の形成開始位置を基準としている。また、筒状部５５の長さＢは、軸線Ｏ方向において、主体金具５０の先端面５７（すなわち筒状部５５の先端面に相当する。）と、筒状部５５およびシール部５４の間の境目とを基準としている。

また、本実施の形態では、主体金具５０の筒状部５５が取付部５２と一体となって構成されているため、取付部５２と筒状部５５との間において軸ずれが生じない。さらに、座屈部５８が取付部５２よりも後端側に配置されていることにより、加締め部５３の加締めの際に座屈部５８を変形させても、取付部５２と筒状部５５との位置関係が不変であるため両者間に軸ずれを生じされることはない。このように取付部５２と筒状部５５との軸ずれを防止した構造により、取付孔２０５の細径部２０３の内周面と主体金具５０の筒状部５５の外周面との間のクリアランスをより小さくし、両者を近接させる構成が可能となる。そしてクリアランス内に燃焼ガスや煤等の異物を入り難くすることができるため、熱の伝達効率を低下させることなく熱引きを行うことも可能となる。従って、上記のようにシール部５４やねじ山６０にて熱引きが行われるにあたり、燃焼室からの熱は筒状部５５内を伝達されるが、その過程において一部の熱を筒状部５５から取付孔２０５の細径部２０３へ逃がすことが可能となる。

また、後述する実施例１および実施例２の結果に基づくと、ねじ山６０の長さＡと筒状部５５の長さＢとがＡ＜Ｂを満たした上で、１０≦Ａ≦２０（ｍｍ）を満たすと共に、１２≦Ｂ≦３０（ｍｍ）を満たすことが望ましいことがわかった。ねじ山６０の長さＡが小さくなれば、ねじ山６０と取付孔２０５の雌ねじ２０２との接触面積は、比較的小さくなる。後述する実施例１によれば、特にねじ山６０の長さＡが１０ｍｍより小さくなると、スパークプラグ１００を規定の締め付けトルクでエンジンヘッド２００に締め付けた場合、ねじ山６０と雌ねじ２０２との接触面間に生ずる面圧が大きくなって、ねじ山６０あるいは雌ねじ２０２に塑性変形を生じてしまう虞があることがわかった。するとねじ山６０と雌ねじ２０２との間で面圧を維持できなくなり、締め付け状態に緩みを生じてしまい、取付孔２０５を介した燃焼室内の気密性の維持ができなくなる虞がある。

一方、主体金具５０とエンジンヘッド２００とは通常、材質が異なるため熱膨張率が異なり、エンジン駆動時の熱によって生ずるねじ山６０全体の延びと雌ねじ２０２全体の延びとの間には差が生ずる。一般に、ねじの締め付けを行った場合、ねじ山のうち軸線Ｏ方向の後端側に形成されたものほど強い面圧がかかった状態となっており、この状態で熱負荷が掛かると、その部位を基点にねじ山と雌ねじとがそれぞれ延びることとなる。さらに軸線Ｏ方向の先端側ほど燃焼室２１０に近く高温となるため、熱膨張率の差による延びの差が大きくなる。このため、ねじ山６０のうち軸線Ｏ方向の先端側のねじ山６０ほど、雌ねじ２０２とのずれが大きくなり、強い面圧がかかる。このずれは、ねじ山６０の長さＡが長いほど顕著となり、後述する実施例１によれば、ねじ山６０の長さＡが２０ｍｍより大きくなると、軸線Ｏ方向先端側のねじ山６０に大きな面圧がかかって塑性変形を生じ、ひいては上記同様に締め付け状態に緩みを生じ、気密性が維持できなくなる虞があることがわかった。

また、筒状部５５の長さＢが小さくなれば、筒状部５５内における熱の移動経路が短くなるため、筒状部５５自身の熱引きを行う点では有利となる。しかし、その移動経路において、筒状部５５からエンジンヘッド２００の細径部２０３側へ引かれる熱量が少なくなることから、筒状部５５からシール部５４を介してエンジンヘッド２００の段部２０４側に引かれる熱量が相対的に多くなる。換言すると、シール部５４において処理される筒状部５５由来の熱量が多くなる。ところで、絶縁碍子１０が受けた熱は、棚部５６を介して主体金具５０側に伝達され、筒状部５５自身の熱の移動経路に合流してシール部５４を介し、エンジンヘッド２００側へ熱引きされることとなる。このため、シール部５４に流れ込む筒状部５５からの熱量が多くなれば、棚部５６を介して絶縁碍子１０からシール部５４に流れ込む熱量は相対的に少なくなってしまう。換言すると、シール部５４において処理する筒状部５５由来の熱量が増えるため、絶縁碍子１０由来の熱をシール部５４において処理可能な量が相対的に少なくなる。このため、絶縁碍子１０の熱引きを十分に行えなくなる虞がある。

特にシール部５４が棚部５６よりも軸線Ｏ方向の先端側に配置される構成となると、相対的に筒状部５５の長さが短くなり、筒状部５５由来の熱は、そのほとんどがシール部５４に流れ込むこととなる。筒状部５５における熱の移動経路が短くなるので、筒状部５５自身の熱引きは良好となるが、その一方で、絶縁碍子１０由来の熱はシール部５４を介してさらに熱引きされにくくなる。シール部５４を介して熱引き可能となる絶縁碍子１０由来の熱量を増やすには、筒状部５５の長さＢを確保して、筒状部５５自身の熱の一部を細径部２０３側へ逃がし、シール部５４に流れ込む筒状部５５由来の熱量を減らせばよい。具体的には、後述する実施例２に基づくと、筒状部５５の長さＢを１２ｍｍ以上とするとよい。

一方、筒状部５５から細径部２０３側へ熱を効率よく逃がすためには、取付孔２０５の内周面と筒状部の外周面とが近接配置となることが好ましい。そのためには主体金具５０において取付部５２と筒状部５５との軸ずれを防止する必要があるが、筒状部５５の長さＢが大きくなるほど両者の軸ずれを防止するには、主体金具５０を作製する上で、より高い成形精度が必要とされる。軸ずれが生ずると、筒状部５５の外周面の一部が取付孔２０５の内周面と接触するため、その接触部位とは反対側の部位では両者の間隙が大きくなって煤等の進入が容易となり、筒状部５５の外周面と取付孔２０５の内周面との固着を招く虞がある。後述する実施例２によると、取付部５２と筒状部５５との軸ずれを防止し、成形精度を高く維持するためには、具体的に、筒状部５５の長さＢを３０ｍｍ以下とすることが望ましい。

次に本実施の形態では、軸線Ｏ方向において、筒状部５５の長さＢは、絶縁碍子１０の先端位置（先端面１４）から棚部５６の形成位置までの長さＣよりも大きくなるように構成されている。つまり棚部５６は、筒孔５９の内周面で筒状部５５の位置において形成されることとなる。燃焼室２１０内での燃料の燃焼によって主体金具５０のみならず絶縁碍子１０も熱せられるが、その熱は、絶縁碍子１０の段部１５から板パッキン８を介して棚部５６より主体金具５０に伝達され、エンジンヘッド２００に逃がされる経路を通る。上記のように自身の外周面を介して直接熱引きが行われるため比較的低温となりやすい筒状部５５に、絶縁碍子１０由来の熱が主体金具５０側へ流れ込む棚部５６が設けられることで、絶縁碍子１０由来の熱が筒状部５５側へ円滑に流れ込むことが可能となる。また、軸線Ｏ方向においてシール部５４が棚部５６よりも後端側にあることにより、熱の移動経路がその合流位置において燃焼室２１０すなわち熱源から遠ざかる方向となるため熱の移動を円滑に行うことができ、絶縁碍子１０の熱引きをより効果的に行うことができる。

この筒状部５５は熱源となる燃焼室２１０に近い位置に配置されるため、絶縁碍子１０から主体金具５０側への熱引きは比較的早い段階において短い経路を辿って行われることとなる。上記したように、シール部５４が棚部５６よりも軸線Ｏ方向の先端側に配置される構成となると、筒状部５５自身のエンジンヘッド２００側への熱引きは良好となるものの、絶縁碍子１０から主体金具５０側への熱引きが難しくなる。後述する実施例３に基づくと、具体的に、軸線Ｏ方向における絶縁碍子１０の先端面１４から棚部５６の形成位置までの長さＣは、１２ｍｍ以下とすればよい。なお、長さＣについて、棚部５６の形成位置は、板パッキン８を介した絶縁碍子１０の段部１５との対向面の中央の位置を基準としている。

このように、軸線Ｏ方向におけるねじ山６０の長さＡ、筒状部５５の長さＢ、および絶縁碍子１０の先端面１４から棚部５６の形成位置までの長さＣについてそれぞれ規定したことによる効果を確認するため、以下の評価試験を行った。

［実施例１］
まず、軸線Ｏ方向におけるねじ山６０の長さＡを異ならせることにより生じ得る影響について確認するため評価試験を行った。この評価試験では、筒状部の長さＢを２２ｍｍ、絶縁碍子の先端面から棚部の形成位置までの長さＣを１２ｍｍに固定し、ねじ山の長さＡのみを異ならせ、８，１０，１１．７，１５，２０，２３（ｍｍ）となるように各部の大きさを調整したスパークプラグの６つのサンプル１−１〜１−６を作製した。

そして各サンプルをそれぞれアルミ材から作製したアルミブッシュ（エンジンヘッドの取付孔を模したもの）に規定のトルクで締め付けた後、戻しトルク（主体金具の取り外しに必要なトルク）を測定することで、ねじ山の変形の有無について確認を行った。次に、ねじ山に変形が認められなかったサンプルを再度、アルミブッシュに規定のトルクで締め付け、熱負荷（２００℃の恒温槽で１時間保持後、自然冷却）を加えた後、同様に戻しトルクを測定し、ねじ山の変形の有無について確認を行った。この評価試験の結果を表１に示す。

表１に示すように、Ａが８ｍｍのサンプル１−１は、規定のトルクによる締め付け後、ねじ山に変形が生じていたが、１０ｍｍ以上のサンプル１−２〜１−６では、ねじ山の変形は認められなかった。サンプル１−１では、Ａに十分な長さがないため取付孔の雌ねじとの接触面積を十分に確保することができず、規定トルクでの締め付けにより両者の接触部分にかかる面圧が他のサンプルと比べ大きくなってしまったため、ねじ山に塑性変形が生じてしまった。

また、Ａが２３ｍｍのサンプル１−６は、熱負荷を加えた後にねじ山に変形が生じていたが、１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下のサンプル１−２〜１−５では、ねじ山の変形は認められなかった。一般にねじの締め付けを行った場合、ねじ山のうち軸線Ｏ方向の後端側に形成されたものほど強い面圧がかかる。この状態で熱負荷が掛けられた場合、主体金具とアルミブッシュとはそれぞれ熱膨張により延びるが、燃焼室に近い軸線Ｏ方向先端側ほど高温となり、熱膨張率の差による延びの差が大きくなる。このとき、軸線Ｏ方向後端側のねじ山は取付孔の雌ねじと密着状態にあり、ここを基点にねじ山と雌ねじとが延びると、軸線Ｏ方向先端側のねじ山ほど雌ねじとのずれが大きくなり、強い面圧がかかることとなる。そしてＡが長いほどそのずれは顕著となり、Ａが２３ｍｍのサンプル１−６では先端側のねじ山に塑性変形が生じてしまった。

この評価試験の結果より、ねじ山に変形が生じたサンプル１−１，１−６は、ねじ山の長さＡが好ましくないとして、総合評価では「×」で示した。また、ねじ山の変形が認められなかったサンプル１−２〜１−５は、ねじ山の長さＡが適切であるとして、総合評価では「○」で示した。

［実施例２］
次に、軸線Ｏ方向における筒状部の長さＢを異ならせることにより生じ得る影響について確認するため評価試験を行った。この評価試験では、ねじ山の長さＡを１１．７ｍｍ、絶縁碍子の先端面から棚部の形成位置までの長さＣを１２ｍｍに固定し、筒状部の長さＢのみを異ならせ、１０，１２，１７，２２，３０，３３（ｍｍ）となるように各部の大きさを調整したスパークプラグの６つのサンプル２−１〜２−６を作製した。

これら各サンプルにあわせてそれぞれ作製したエンジンヘッドを順に排気量１６００ｃｃの試験用エンジンに組み付け、各サンプルを取り付け後、正規の点火時期を基準に２度ずつ順に過進角の状態とし、その都度５５００ｒｐｍで２分間保持する運転試験を行った。このとき、過進角が４０〜４２度の範囲でプレイグニッションが発生したサンプルは耐熱性が良好であると評価して「○」で示し、それよりも小さい過進角でプレイグニッションが発生したサンプルは耐熱性がよくないと評価して「×」で示した。また、エンジンヘッドにサンプルを取り付ける際の取付容易性と、取り外す際の取外し容易性についても評価を行った。取付容易性については、各サンプルを対応するエンジンヘッドに取り付ける際に、引っかかりが生じて取り付けが容易でなかったものを「×」で示し、引っかかりが起きず容易に取り付けられたものを「○」で示した。さらに、上記耐熱性の評価試験を行った後に各サンプルを取り外す際の戻しトルクをそれぞれ測定し、取り付け時の規定トルクと比較した。このとき、規定トルクに対し戻しトルクが９５％以上であった場合には、筒状部の外周面と取付孔の内周面との間に煤等が入り込み固着を生じたとして「×」で示し、規定トルクに対する戻しトルクが９５％未満であれば、固着は生じなかったとして「○」で示した。この評価試験の結果を表２に示す。

表２に示すように、Ｂが１０ｍｍのサンプル２−１では、４０度よりも小さい過進角でプレイグニッションが発生した。このときＡ＞Ｂとなっており、筒状部自身の熱引きはシール部を介して良好に行われるものの、Ｂが小さいため、自身の外周面を介した熱引きはほとんど行われない。つまり、筒状部由来の熱のほとんどがシール部へ向けて流れ込み、シール部において処理される筒状部由来の熱量が多くなる。このため、絶縁碍子由来の熱をシール部において処理可能な量が相対的に少なくなり、絶縁碍子からの熱引きが行われ難くなる。よって、スパークプラグとして望ましい耐熱性が得られないと評価して「×」で示した。

また、各サンプルを対応するエンジンヘッドに取り付ける際の取付容易性については、いずれのサンプルも特に引っかかりが生ずることなく取り付けができたので「○」で示した。しかし、上記耐熱性の評価試験後に、Ｂを３３ｍｍとしたサンプル２−６では、戻しトルクが取り付け時の規定トルク２０Ｎ・ｍに対し２２Ｎ・ｍと１１０％であり、９５％以上であったので「×」で示した。Ｂが１２ｍｍ以上３０ｍｍ以下のサンプル２−１〜２−５では、規定トルクに対する戻しトルクが９５％未満であったので「○」で示した。

これらの評価試験の結果、十分な耐熱性が得られなかったＢが１０ｍｍのサンプル２−１は、スパークプラグとして好ましい性能が得られないと評価し、総合評価を「×」で示した。また、取り外し時に難点のあったＢが３３ｍｍのサンプル２−６は、耐熱性の面では問題がなかったので、総合評価では「△」で示した。そしてＢが１２ｍｍ以上３０ｍｍ以下のサンプル２−２〜２−５では特に問題がなく、総合評価では「○」と示した。

［実施例３］
次に、軸線Ｏ方向における絶縁碍子の先端面から棚部の形成位置までの長さＣを異ならせることにより生じ得る影響について確認するため評価試験を行った。この評価試験では、ねじ山の長さＡを１１．７ｍｍ、筒状部の長さＢを１４ｍｍに固定し、絶縁碍子の先端面から棚部の形成位置までの長さＣのみを異ならせ、９，１２，１５（ｍｍ）となるように各部の大きさを調整したスパークプラグの３つのサンプル３−１〜３−３を作製した。

そして実施例２と同様に、これら各サンプルを順に排気量１６００ｃｃの試験用エンジンに取り付け、正規の点火時期を基準に２度ずつ順に過進角の状態とし、その都度５５００ｒｐｍで２分間保持する運転試験を行った。このとき、過進角が４０〜４２度の範囲でプレイグニッションが発生したサンプルは耐熱性が良好であると評価して「○」で示し、それよりも小さい過進角でプレイグニッションが発生したサンプルは耐熱性がよくないと評価して「×」で示した。この評価試験の結果を表３に示す。

表３に示すように、Ｃを１５ｍｍとしたサンプル３−３はＢ＜Ｃであり、シール部が棚部よりも軸線Ｏ方向の先端側に配置される構成となる。この構成で、筒状部の長さＢが短ければ、シール部において熱引きされる筒状部由来の熱量が増え、絶縁碍子の熱引きが難しくなることは、上記の通りである。サンプル３−３のように、筒状部の長さＢとして筒状部の外周面を介した熱引きを見込める大きさを有したとしても、Ｃが大きくなれば、絶縁碍子の受けた熱を絶縁碍子内で伝達する熱の移動経路が長くなってしまい、絶縁碍子自体の耐熱性が低下してしまう。サンプル３−３では、４０度よりも小さい過進角（３０〜３２度）でプレイグニッションが発生し、スパークプラグとして望ましい耐熱性が得られなかったため、「×」で示した。

一方、Ｃが１２ｍｍ以下であるサンプル３−１，３−２では、Ｃが比較的小さいため、絶縁碍子の受けた熱を早い段階で棚部を介して主体金具側へ逃がすことができる。ここで、筒状部の長さＢとして筒状部の外周面を介した熱引きを見込める大きさを有すれば、筒状部自身の冷却性能を高く維持できるので、絶縁碍子由来の熱を十分に筒状部側へ熱引きさせることができる。サンプル３−１，３−２では、それぞれ５０〜５２度、４０〜４２度の過進角でプレイグニッションが発生し、スパークプラグとして望ましい耐熱性が得られたので「○」で示した。

なお、本発明は各種の変形が可能なことはいうまでもない。例えば、ねじ山６０は取付部５２の一部（略中央から後端側にかけての位置）に形成したが、取付部５２において任意の位置に形成されてもよく、また、一部でなく全体に形成されていてもよい。

また、棚部５６は、段状に形成されていてもよく、主体金具５０の筒孔５９内にて絶縁碍子１０の段部１５を軸線Ｏ方向に支持可能な構成であればよい。

スパークプラグ１００の部分断面図である。 スパークプラグ１００を内燃機関のエンジンヘッド２００に組み付けた状態を示す断面図である。

符号の説明

１２ 軸孔
１４ 先端面
２０ 中心電極
５０ 主体金具
５２ 取付部
５３ 加締め部
５４ シール部
５５ 筒状部
５６ 棚部
５８ 座屈部
５９ 筒孔
６０ ねじ山
１００ スパークプラグ
２０５ 取付孔

Claims (4)

1. 中心電極と、軸線方向に延びる軸孔を有し、前記中心電極を前記軸孔内の先端側に保持する絶縁碍子と、前記軸線方向に延びる筒孔を有し、当該筒孔内に前記絶縁碍子の少なくとも一部を保持する主体金具とを備えたスパークプラグであって、
   前記主体金具は、
   自身の外周面の少なくとも一部に、雌ねじが形成された内燃機関の取付孔に螺合するためのねじ山が形成された取付部と、
   前記取付部の先端側にて前記取付部と一体に、且つ前記取付部よりも小径に形成される筒状部と、
   前記筒状部と前記取付部との間の外周面を接続し、テーパ状に形成されるシール部と、
   自身の後端に設けられ、加締めにより前記絶縁碍子を前記筒孔内に保持するための加締め部と、
   前記取付部と前記加締め部との間に設けられ、前記加締め部の加締めと共に変形する座屈部と
   を有し、
   前記取付部に形成された前記ねじ山の前記軸線方向における長さをＡとし、前記筒状部の前記軸線方向における長さをＢとしたときに、Ａ＜Ｂが満たされることを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記主体金具は、前記筒孔の内周面に、前記加締め部の加締めによって前記加締め部との間で前記絶縁碍子を前記軸線方向に挟んで保持するため、内側に向けて棚状に突設された棚部を有し、
   前記軸線方向において、前記絶縁碍子の先端位置と前記棚部の形成位置との間の長さをＣとしたときに、Ｂ＞Ｃが満たされることを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 前記軸線方向において、前記主体金具の前記シール部は、前記棚部よりも後端側にあることを特徴とする請求項２に記載のスパークプラグ。
4. 前記軸線方向における前記ねじ山の長さＡが、１０≦Ａ≦２０（ｍｍ）を満たし、
   前記軸線方向における前記筒状部の長さＢが、１２≦Ｂ≦３０（ｍｍ）を満たすと共に、
   前記軸線方向における前記絶縁碍子の先端位置と前記棚部の形成位置との間の長さＣが、Ｃ≦１２ｍｍを満たすこと
   を特徴とする請求項２または３に記載のスパークプラグ。

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