JP4399242B2 - セミ沿面放電型スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明はセミ沿面放電型スパークプラグに関する。

従来、特許文献１記載のセミ沿面放電型スパークプラグが知られている。このセミ沿面放電型スパークプラグは、図５に示すように、筒状の主体金具９１と絶縁体９２と中心電極９３と平行接地電極９４とセミ沿面接地電極９５とを備えている。絶縁体９２は、軸孔９２ａを有し、主体金具９１の軸方向に延在し、両端を主体金具９１の両端から突出させて主体金具９１内に固定されている。中心電極９３は、主体金具９１の軸方向に延在し、先端を絶縁体９２の先端面９２ｄから突出させて後端が絶縁体９２の軸孔９２ａ内に固定されている。平行接地電極９４は、主体金具９１に一端が固定され、他端部が中心電極９３の先端面９３ａに対向するように配設され、中心電極９３の先端面９３ａとの間に第１気中放電ギャップｂを形成している。また、セミ沿面接地電極９５は、主体金具９１に一端が固定され、他端部が中心電極９３の側周面９３ｂ及び絶縁体９２の側周面９２ｂに対向するように配設され、中心電極９３の側周面９３ｂとの間に第２気中放電ギャップｃを形成するとともに、絶縁体９２の側周面９２ｂとの間に第３気中放電ギャップｄを形成している。そして、このセミ沿面放電型スパークプラグでは、絶縁体９２の先端面９２ｄとセミ沿面接地電極９５の後端側の内周面９５ｂとの軸方向の距離をＥとし、絶縁体９２の先端面９２ｄから側周面９２ｂに至る曲面の曲率半径をＲとすると、Ｒ−Ｅ≦０．１ｍｍの関係を有している。

このセミ沿面放電型スパークプラグによれば、絶縁体９２表面を這う形で火花放電が生ずるため、絶縁体９２表面に付着したカーボン等の導電性汚損物質が焼き切られる。このため、このセミ沿面放電型スパークプラグは、セミ沿面接地電極を有さず、平行接地電極と中心電極との間だけで放電を行うスパークプラグと比べ、耐汚損性及び着火性が向上する。

また、このセミ沿面放電型スパークプラグでは、距離Ｅと曲率半径Ｒとの関係を上記のようにすることにより、セミ沿面接地電極９５の後端側の内周面９５ｂから中心電極９３に向かう火花が絶縁体９２表面の周方向に曲げられる。この結果、放電毎に火花の経路が変わるため、絶縁体９２表面を這っていく火花の範囲が広がることとなる。そのため、このセミ沿面放電型スパークプラグによれば、絶縁体９２表面の広範囲で汚損物質を焼き切ることができるとともに、絶縁体９２表面が溝状に削られるいわゆるチャンネリングを低減し、耐久性が向上する。

特開２００１−２３７０４６号公報

しかし、近年におけるエンジンをとりまく環境の変化（省燃費、高出力、低公害）に伴い、より高い耐汚損性、着火性及び耐久性が求められるようになってきた。また、極低温時に絶縁体とセミ沿面接地電極との間に発生する燃料ブリッジの抑制に対する要求も厳しくなってきた。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、耐汚損性、着火性及び耐久性を向上させるとともに、燃料ブリッジの発生を抑制することができるセミ沿面放電型スパークプラグを提供することを解決すべき課題としている。

本発明者らは上記課題を解決するために鋭意研究を行った。そして、第２軸孔の内径、第１気中放電ギャップ、第２気中放電ギャップ及び第３気中放電ギャップの関係に着目することによって、上記課題を解決できることを発見し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のセミ沿面放電型スパークプラグは、筒状の主体金具と、該主体金具の軸方向に延在し、両端を該主体金具の両端から突出させて該主体金具内に固定され、軸孔を有する筒状の絶縁体と、該主体金具の軸方向に延在し、先端を該絶縁体の先端から突出させて後端が該絶縁体内に固定された中心電極と、該主体金具に一端が固定され、他端部が該中心電極の先端面に対向するように配設され、該中心電極の先端面との間に第１気中放電ギャップを形成する平行接地電極と、該主体金具に一端が固定され、他端部が該中心電極の側周面若しくは該絶縁体の側周面に対向するように配設され、該中心電極の側周面との間に第２気中放電ギャップを形成するとともに、該絶縁体の側周面との間に第３気中放電ギャップを形成するセミ沿面接地電極とを備えたセミ沿面放電型スパークプラグにおいて、
前記軸孔は、同径に延びる第１軸孔と、該第１軸孔と同軸をなし、前記絶縁体の先端側で該第１軸孔より小径に形成された第２軸孔とを有し、
該第２軸孔は、該第１軸孔との境界から先端側開口縁に向かって前記軸方向に対して傾斜角をなして先細りに形成された部分を有しており、
前記中心電極は、該第１軸孔内に位置する電極母材と、該第１軸孔と該第２軸孔との境界よりも該先細りに形成された部分内で該電極母材に固定され、該第２軸孔から突出する耐火花消耗材からなる円柱状のチップとを有し、
前記第２軸孔の内径をａ、前記第１気中放電ギャップをｂ、前記第２気中放電ギャップをｃ、前記第３気中放電ギャップをｄとすると、０．６ｍｍ≦ａ≦１．６ｍｍ、０．６≦ｄ／ｂ≦０．９、ａ−０．１≦ｂ／ｄ、ｂ≦１．５、ｄ≧０．５及びｃ＞ｂの関係であることを特徴とする。

本発明のセミ沿面放電型スパークプラグでは、発明者らの試験結果により以下の事項が明確になった。まず、第２軸孔の内径をａとすると、０．６ｍｍ≦ａ≦１．６ｍｍの関係があれば、適切なチップ径を確保できるとともにチップの周囲の清浄面積を抑えることができるため、耐久性、着火性及び耐汚損性を向上させることができる。これにより、第３気中放電ギャップをより大きくすることができ、より高い耐汚損性、着火性及び耐久性の実現と、燃料ブリッジの抑制の実現とが可能になる。

具体的には、第１気中放電ギャップをｂ、第２気中放電ギャップをｃ、第３気中放電ギャップをｄとすると、０．６≦ｄ／ｂ≦０．９の関係があれば、中心電極とセミ沿面接地電極及び平行接地電極との間の放電のバランスがよいため、耐久性、着火性及び耐汚損性を向上させることができる。

また、ａ−０．１≦ｂ／ｄの関係があれば、第２軸孔の内径との関係において、中心電極とセミ沿面接地電極及び平行接地電極との間の放電のバランスがよくなり、さらに耐汚損性を向上させることができる。

さらに、ｂ≦１．５であれば、中心電極と平行接地電極との間の距離が適切になり、結果的にセミ沿面接地電極と中心電極との間の距離も適切になるため、主体金具に近い部分で放電が起こる、いわゆる奥飛びの発生を防止することができ、耐汚損性及び着火性を向上させることができる。

また、ｄ≧０．５であれば、セミ沿面接地電極と絶縁体との間に燃料を保持し難くなるため、燃料ブリッジの発生を抑制することができる。

さらに、本発明のセミ沿面放電型スパークプラグは、第３気中放電ギャップをｃとして、ｃ＞ｂである。これにより、中心電極の先端面と平行接地電極との間にて火花放電が起こり易く、着火性が向上する。ｃ≦ｂであると、中心電極の側周面とセミ沿面接地電極との間にて火花放電が起こり易く、着火性が低下する。

また、本発明のセミ沿面放電型スパークプラグは、耐火花消耗材からなるチップが中心電極に使用されているため、中心電極の機能を長期間保つことができる。また、中心電極が電極母材と、その電極母材に固定され、電極母材よりも径小となるチップとを有することにより、火花放電の際に受けた熱が中心電極に逃げる傾向が適度に抑制され、絶縁体の先端部分の温度を上昇させやすいため、着火性が向上する。

したがって、本発明のセミ沿面放電型スパークプラグによれば、耐汚損性、着火性及び耐久性を向上させるとともに、燃料ブリッジの発生を抑制することができる。

本発明のセミ沿面放電型スパークプラグでは、セミ沿面接地電極の断面積Ｓは、２．４ｍｍ²以下であることが好ましい。上記のように、第３気中放電ギャップｄを拡大することで中心電極とセミ沿面接地電極との間の飛火率が減少するため、セミ沿面接地電極の消耗を防止できるとともに、チャンネリングを抑制することができる。ここで、セミ沿面接地電極の断面積Ｓを２．４ｍｍ²以下にすることにより、セミ沿面接地電極の消耗の抑制及びチャンネリングの抑制を維持しつつ、セミ沿面接地電極を小さくすることができるため、燃料ブリッジの発生を抑制することができるとともに、中心電極とセミ沿面接地電極との間の放電時における着火性を向上させることができる。

本発明のセミ沿面放電型スパークプラグでは、絶縁体には、第２軸孔の先端側開口縁に面取りが形成されていることが好ましい。絶縁体に面取りが施されていない状態では、開口縁を火花が経由することによりこの部分でのチャンネリングが発生しやすくなる。そして、一旦チャンネリングが発生してしまうと、その発生した位置に集中して火花が発生してしまい、チャンネリングが深くなりやすい。このため、この開口縁に面取りを施すことによって、チャンネリングの発生を更に効果的に抑制することができる。この面取りは、曲率（Ｒ）又は幅（Ｃ）を０．０５ｍｍ〜０．４ｍｍとするとよい。

以下、本発明のセミ沿面放電型スパークプラグを具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。

本実施例では、図１に示すように、筒状の主体金具１と絶縁体２と中心電極３と平行接地電極４と２本のセミ沿面接地電極５とを備えている。

絶縁体２は、第１軸孔２ａと第２軸孔２ｂとからなる軸孔を有し、主体金具１の軸方向に延在し、両端を主体金具１の両端から突出させて主体金具１内に固定されている。第１軸孔２ａと第２軸孔２ｂとは同軸をなし、第２軸孔２ｂは絶縁体２の先端側で第１軸孔２ａより小径に形成されている。この第２軸孔２ｂの内径はａであり、第２軸孔２ｂの先端側開口縁には面取り２ｃが形成されている。また、絶縁体２の先端側は球面状をなしている。ここで、第２軸孔２ｂの内径ａは１．２ｍｍである。

中心電極３は、主体金具１の軸方向に延在し、先端を絶縁体２の先端から突出させて後端が絶縁体２内に固定されている。この中心電極３は、第１軸孔２ａ内に位置する電極母材６と、電極母材６に固定され、第２軸孔２ｂから突出する耐火花消耗材からなるチップ７とを有している。

平行接地電極４は、主体金具１に一端が固定され、他端部が中心電極３の先端面であるチップ７の先端面７ａに対向するように配設され、チップ７の先端面７ａとの間に第１気中放電ギャップｂを形成している。ここで、第１気中放電ギャップｂは１．１ｍｍである。

また、セミ沿面接地電極５は、主体金具１に一端が固定され、断面積がＳである他端部が中心電極３の側周面であるチップ７の側周面７ｂ及び絶縁体２の側周面２ｄに対向するように配設され、チップ７の側周面７ｂとの間に第２気中放電ギャップｃを形成するとともに、絶縁体２の側周面２ｄとの間に第３気中放電ギャップｄを形成している。ここで、第２気中放電ギャップｃは１．８ｍｍであり、第３気中放電ギャップｄは０．８ｍｍである。このように、本発明のセミ沿面放電型スパークプラグ１００の第２気中放電ギャップｃと第３気中放電ギャップｄとの関係は、ｃ＞ｄである。これにより、中心電極３の先端面であるチップ７の先端面７ａと平行接地電極４との間にて火花放電が起こりやすく、着火性が向上する。

実施例のセミ沿面放電型スパークプラグ１００について、耐汚損性、耐久性及び燃料ブリッジの抑制を確認するための試験を行った。その結果を表１に示す。

この試験では、まず表１の「条件」に示すように、第２軸孔２ｂの内径ａ、第１気中放電ギャップｂ、第３気中放電ギャップｄを設定した試料１〜１０のセミ沿面放電型スパークプラグ１００を各々複数個用意した。なお、第２気中放電ギャップｃはｃ＞ｂとなるように設定している。そして、それらについて、「試験」に示すように、汚損、消耗及び燃料ブリッジについての試験を行った。各試験の内容は以下の通りである。

（汚損試験）
（１）試験条件
１．６ｌ、４気筒、ＤＯＨＣ（ダブル・オーバー・ヘッド・カムシャフト）のエンジンを用い、−１０°Ｃの室温下において、ＪＩＳ−Ｄ１６０６「くすぶり汚損試験」のテストパターンを１０サイクル繰り返す。

（２）評価
テストパターンを１０サイクル繰り返した後、絶縁体２の抵抗値（主体金具１と中心電極３との間で測定）が１０ＭΩ以上で○、１０ＭΩ未満で×とした。

（消耗試験）
（１）試験条件
２．０ｌ、６気筒、ＤＯＨＣ（ダブル・オーバー・ヘッド・カムシャフト）のエンジンを用い、高速模擬パターンで５００時間運転する。

（２）評価
運転終了後、セミ沿面接地電極５と中心電極３との間での放電電圧が２８ｋＶ以下で○、２８ｋＶを超えた場合を×とした。

（ブリッジ試験）
（１）試験条件
１．６ｌ、４気筒、ＤＯＨＣ（ダブル・オーバー・ヘッド・カムシャフト）のエンジンを用いる。−３０°Ｃの室温下において、エンジンを始動させて３０秒間アイドリングを行った後、エンジンを止めてセミ沿面放電型スパークプラグ１００の温度が−３０°Ｃに戻るまで待つ。これを１サイクルとして、試験を繰り返す。

（２）評価
１０サイクル以上始動可能な場合を○、１０サイクル未満で始動不可能になった場合を×とした。

そして、汚損、消耗及び燃料ブリッジの試験についての評価が全て○の場合、判定を○とした。また、汚損、消耗及び燃料ブリッジの試験についての評価に×が１つ以上ある場合、判定を×とした。

表１により、第２軸孔２ｂの内径ａが０．６ｍｍ未満（試料Ｎｏ．１）の場合、チップ７の消耗が多く、耐久性が悪いことがわかる。これは、内径ａが小さくなるのに伴い、チップ７の径も小さくなるためと考えられる。また、内径ａが１．６ｍｍより大きい（試料Ｎｏ．２）の場合、汚損が認められるため、耐汚損性が低下することがわかる。これは、内径ａが大きくなるのに伴い、チップ７の周囲の清浄面積が増加するためと考えられる。そして、これらより、０．６ｍｍ≦ａ≦１．６ｍｍであれば、耐久性、着火性及び耐汚損性を向上させることができる。

また、第３気中放電ギャップｄと第１気中放電ギャップｂとの比ｄ／ｂが０．６未満（試料Ｎｏ．５）の場合、チップ７の消耗が多く、耐久性が悪いことがわかる。これは、第１気中放電ギャップｂに対して第３気中放電ギャップｄが相対的に小さくなることにより、セミ沿面接地電極５と中心電極３との間での放電が起こり易くなるためと考えられる。また、ｄ／ｂが０．９より大きい（試料Ｎｏ．６）の場合、汚損が認められるため、耐汚損性が低下することがわかる。これは、第１気中放電ギャップｂに対して第３気中放電ギャップｄが相対的に大きくなることにより、セミ沿面接地電極５と中心電極３との間での放電が起こり難くなるためと考えられる。そして、これらより、０．６≦ｄ／ｂ≦０．９であれば、耐久性、着火性及び耐汚損性を向上させることができる。

さらに、第２軸孔２ｂの内径ａから０．１を減じた値が第１気中放電ギャップｂと第３気中放電ギャップｄとの比ｂ／ｄより大きい（試料Ｎｏ．７）の場合、汚損が認められるため、耐汚損性が低下することがわかる。これは、内径ａとの関係において、第３気中放電ギャップｄに対して第１気中放電ギャップｂが相対的に小さくなることにより、セミ沿面接地電極５と中心電極３との間での放電が起こり難くなるためと考えられる。そして、これにより、ａ−０．１≦ｂ／ｄであれば、耐汚損性を向上させることができる。

また、第１気中放電ギャップｂが１．５より大きい（試料Ｎｏ．４）の場合、汚損が認められるため、耐汚損性が低下することがわかる。これは、平行接地電極４と中心電極３との間の距離が大きいため、結果的にセミ沿面接地電極５と中心電極３との間の距離も大きくなり、主体金具１に近い部分で放電が起こる、いわゆる奥飛びが発生するためと考えられる。この奥飛びが発生すると、耐汚損性が低下するのみならず、着火性も低下してしまう。そして、これにより、ｂ≦１．５であれば、奥飛びを防止して、耐汚損性及び着火性を維持することができる。

さらに、第３気中放電ギャップｄが０．５より小さい（試料Ｎｏ．３）の場合、燃料ブリッジの発生が認められることがわかる。これは、セミ沿面接地電極５と中心電極３との間の距離が小さいため、その間に燃料を保持しやすくなるためと考えられる。そして、これにより、ｄ≧０．５であれば、燃料ブリッジの発生を抑制することができる。

また、試料Ｎｏ．８〜１０においては、汚損、チップ７の消耗及び燃料ブリッジの発生が認められないことがわかる。

以上の結果より、内径ａ、第１気中放電ギャップｂ及び第３気中放電ギャップｄの間に、０．６ｍｍ≦ａ≦１．６ｍｍ、０．６≦ｄ／ｂ≦０．９、ａ−０．１≦ｂ／ｄ、ｂ≦１．５及びｄ≧０．５の関係があれば、耐汚損性、着火性及び耐久性を向上させるとともに、燃料ブリッジの発生を抑制することができることがわかる。

本実施例のセミ沿面放電型スパークプラグ１００では、ａが１．２ｍｍ、ｂが１．１ｍｍ、ｄが０．８ｍｍであるため、０．６ｍｍ≦ａ≦１．６ｍｍ、０．６≦ｄ／ｂ≦０．９、ａ−０．１≦ｂ／ｄ、ｂ≦１．５及びｄ≧０．５の関係を全て満たすことになる。

また、このセミ沿面放電型スパークプラグ１００では、セミ沿面接地電極５の断面積Ｓは、２．４ｍｍ²以下である。上記のように、第３気中放電ギャップｄを拡大することで中心電極３のチップ７とセミ沿面接地電極５との間の飛火率が減少するため、セミ沿面接地電極５の消耗を防止できるとともにチャンネリングを抑制することができる。ここで、セミ沿面接地電極５の断面積Ｓを２．４ｍｍ²以下にすることにより、セミ沿面接地電極５の消耗の抑制及びチャンネリングの抑制を維持しつつ、セミ沿面接地電極５を小さくすることができるため、燃料ブリッジの発生を抑制することができるとともに、中心電極３とセミ沿面接地電極５との間の放電時における着火性を向上させることができる。

さらに、このセミ沿面放電型スパークプラグ１００では、絶縁体２における第２軸孔２ｂの先端側開口縁に面取り２ｃが形成されている。絶縁体２に面取りが施されていない状態では、開口縁を火花が経由することによりこの部分でのチャンネリングが発生しやすくなる。そして、一旦チャンネリングが発生してしまうと、その発生した位置に集中して火花が発生してしまい、チャンネリングが深くなりやすい。このため、この開口縁に面取り２ｃを施すことによって、チャンネリングの発生を更に効果的に抑制することができる。

したがって、本実施例のセミ沿面放電型スパークプラグ１００によれば、耐汚損性、着火性及び耐久性を向上させるとともに、燃料ブリッジの発生を抑制することができる。

なお、本実施例に示すセミ沿面放電型スパークプラグ１００の他、例えば、図２〜図４に示すように、様々な形状のセミ沿面放電型スパークプラグ２００、３００、４００を採用することができる。図２に示すセミ沿面放電型スパークプラグ２００は、絶縁体２の先端側が円錐台状をなすものである。また、図３に示すセミ沿面放電型スパークプラグ３００は、絶縁体２の先端側が段差を有する２つの円柱部からなるものである。さらに、図４に示すセミ沿面放電型スパークプラグ４００は、セミ沿面接地電極５が１つのもである。このようなセミ沿面放電型スパークプラグ２００、３００、４００であっても、本発明の効果を奏することができる。

本発明は省燃費、高出力、低公害を達成するエンジンに利用可能である。

実施例に係り、セミ沿面放電型スパークプラグの一部拡大断面図である。 実施例に係り、絶縁体の先端側を変更したセミ沿面放電型スパークプラグの一部拡大断面図である。 実施例に係り、絶縁体の先端側を変更したセミ沿面放電型スパークプラグの一部拡大断面図である。 実施例に係り、セミ沿面接地電極が１つのセミ沿面放電型スパークプラグの一部拡大断面図である。 従来のセミ沿面放電型スパークプラグの一部拡大断面図である。

符号の説明

１…主体金具
２…絶縁体
２ａ、２ｂ…軸孔（２ａ…第１軸孔、２ｂ…第２軸孔）
２ｃ…面取り
３…中心電極
６…電極母材
７…チップ
４…平行接地電極
５…セミ沿面接地電極
１００、２００、３００、４００…セミ沿面放電型スパークプラグ
ａ…内径
ｂ…第１気中放電ギャップ
ｃ…第２気中放電ギャップ
ｄ…第３気中放電ギャップ

Claims (3)

1. 筒状の主体金具と、該主体金具の軸方向に延在し、両端を該主体金具の両端から突出させて該主体金具内に固定され、軸孔を有する筒状の絶縁体と、該主体金具の軸方向に延在し、先端を該絶縁体の先端から突出させて後端が該絶縁体内に固定された中心電極と、該主体金具に一端が固定され、他端部が該中心電極の先端面に対向するように配設され、該中心電極の先端面との間に第１気中放電ギャップを形成する平行接地電極と、該主体金具に一端が固定され、他端部が該中心電極の側周面若しくは該絶縁体の側周面に対向するように配設され、該中心電極の側周面との間に第２気中放電ギャップを形成するとともに、該絶縁体の側周面との間に第３気中放電ギャップを形成するセミ沿面接地電極とを備えたセミ沿面放電型スパークプラグにおいて、
   前記軸孔は、同径に延びる第１軸孔と、該第１軸孔と同軸をなし、前記絶縁体の先端側で該第１軸孔より小径に形成された第２軸孔とを有し、
   該第２軸孔は、該第１軸孔との境界から先端側開口縁に向かって前記軸方向に対して傾斜角をなして先細りに形成された部分を有しており、
   前記中心電極は、該第１軸孔内に位置する電極母材と、該第１軸孔と該第２軸孔との境界よりも該先細りに形成された部分内で該電極母材に固定され、該第２軸孔から突出する耐火花消耗材からなる円柱状のチップとを有し、
   前記第２軸孔の内径をａ、前記第１気中放電ギャップをｂ、前記第２気中放電ギャップをｃ、前記第３気中放電ギャップをｄとすると、０．６ｍｍ≦ａ≦１．６ｍｍ、０．６≦ｄ／ｂ≦０．９、ａ−０．１≦ｂ／ｄ、ｂ≦１．５、ｄ≧０．５及びｃ＞ｂの関係であることを特徴とするセミ沿面放電型スパークプラグ。
2. 前記第２軸孔は、前記第１軸孔との境界から前記先端側開口縁に向かって前記軸方向に対して第１の傾斜角をなして先細りに形成された第１部分と、より該先端側開口縁に向かって該軸方向に対して該第１の傾斜角より小さい第２の傾斜角をなして先細りに形成された第２部分とを有し、
   前記チップは該第２部分内で前記電極母材に固定されている請求項１記載のセミ沿面放電型スパークプラグ。
3. 前記絶縁体には、前記第２軸孔の前記先端側開口縁に面取りが形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のセミ沿面放電型スパークプラグ。

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