JP4422758B2 - 内燃機関用スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に使用されるスパークプラグに関する。

自動車エンジン等の内燃機関用のスパークプラグは、例えば軸線方向に延びる中心電極と、その外側に設けられた絶縁体と、当該絶縁体の外側に設けられた筒状の主体金具と、基端部が前記主体金具の先端面に接合された接地電極とを備える。一般に、接地電極は、断面略矩形状をなし、その先端部内側面が前記中心電極の先端部と対向するように曲げ返されて配置され、これにより中心電極の先端部及び接地電極の先端部間に火花放電間隙が形成される。尚、近年では、中心電極の先端部や、接地電極の先端部に、それぞれ貴金属合金よりなるチップ（貴金属チップ）を接合することで、耐火花消耗性の向上が図られているものもある。

前記主体金具の外周面には、ねじ部が形成されている。スパークプラグは、当該ねじ部において、エンジンのシリンダヘッドに形成された雌ねじを備えるプラグホールに螺着されることで、取付けられる。しかし、スパークプラグの取付状態において、混合気が接地電極の背面に当たるような位置関係になってしまった場合、接地電極が混合気の火花放電間隙への流入を阻害するおそれがある。その結果、着火性にバラツキが生じてしまうおそれがある。

これに対し、２以上の接地電極を有するタイプにおいて、各接地電極の断面を略円形状（つまり略円柱状）とするという技術がある（例えば、特許文献１参照）。このように断面を略円形状とすることで、混合気が接地電極の背面に当たるような位置関係になった場合であっても、混合気がその内側に廻り込んで、火花放電間隙に混合気が到達しやすいものとなる。
特開平１１−１２１１４２号公報

ところで、昨今では、過給器や可変動弁系などを組み合わせることにより、高圧縮比、高出力のエンジンが開発されている。さらには、インジェクタの開発により高圧縮状態にある筒内に燃料を高圧噴射するスプレーガイドタイプなどと称される直噴エンジンも知られるようになってきている。こういったエンジンにあっては、筒内の温度が著しく高温となる傾向にあり、かかる高温条件下において筒内噴射が行われると、高温に晒された接地電極に、比較的低温の燃料が直撃するケースも起こりうる。この場合、接地電極のうち燃料の直撃した箇所における結晶粒が、粒界から脱落してえぐられるといった現象（いわゆる「虫食い現象」）が起きてしまうことが懸念される。

ところが、上述のように断面が略円形状の接地電極を有するタイプのスパークプラグにあっては、上記燃料直撃に伴う虫食いをさらに助長してしまう傾向がある。そのメカニズムについては必ずしも定かではないが、例えば図８（ｂ）に示すように、接地電極の背面側が湾曲面になっている場合において、当該湾曲面に燃料が直撃したとする。この場合、燃料のもつ熱衝撃ベクトル（図中矢印参照）が１箇所に集中しやすく、このことが一因となって虫食い現象が起こるのではないかと考えられる。すなわち、非常に高温となっている接地電極先端部分の湾曲面状をなす背面側に燃料が直撃することで、当該直撃した部位が局所的に急激に冷却されることとなり、当該部分に虫食い現象が生じてしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、着火性の飛躍的な向上を図るとともに、混合気の流入方向による影響を受けにくくすることができ、かつ、燃料直撃による虫食い現象を抑制することのできる内燃機関用スパークプラグを提供することにある。

以下、上記課題等を解決するのに適した各構成を項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する構成に特有の作用効果を付記する。

構成１．本構成のスパークプラグは、
軸線方向に延びる棒状の中心電極と、
前記中心電極の外周に設けられた略円筒状の絶縁体と、
前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
基端が前記主体金具の先端部に接合され、先端が前記軸線に向けて曲げられて配置された接地電極とを備え、
前記中心電極の先端部及び前記接地電極の先端部間に火花放電間隙を有する内燃機関用スパークプラグであって、
前記接地電極のうち、
前記絶縁体に面する側とは反対側の外周側面であって、かつ、前記軸線側の先端部分には前記軸線側の先端面から前記接地電極の長手方向に沿って０．２ｍｍ以上の長さを有する平坦面が形成されるとともに、
当該平坦面を除く前記絶縁体に面する側とは反対側の外周側面には凸状の湾曲面が形成されており、
前記接地電極のうち前記軸線と平行に延びる部位における前記接地電極の長手方向の中心軸に直交する第１断面に関し、断面積をＳ１、周長をＬ１とし、
前記接地電極のうち前記軸線と直交する方向に延び、前記平坦面を含む部位における前記接地電極の長手方向の中心軸に直交する第２断面に関し、断面積をＳ２、周長をＬ２としたとき、
０．９５０≦（Ｓ２／Ｌ２）／（Ｓ１／Ｌ１）≦０．９９５
を満たすことを特徴とする。

尚、「前記絶縁体に面する側とは反対側の外周側面には凸状の湾曲面が形成され」とあるのは、接地電極を背面側から見たとき、当該視認される部位が湾曲面になっていることを意味する。従って、「前記軸線と前記接地電極の長手方向の中心軸とを含む面方向において、前記接地電極を外側から視認したとき、視認される接地電極の外周側面が外側に膨出する湾曲面となっている」といった表現に置き換えることも可能である。それ故、例えば、断面矩形状の接地電極の背面側両側の角部を湾曲状に面取りしたような場合（図１２（ｄ）参照）には、両角部間の面取りされていない面は依然として平面であり、凸状の湾曲面（外側に膨出する湾曲面）とはいえない。

また、接地電極（の本体部）の先端部、中心電極（の本体部）の先端部に貴金属チップが設けられていてもよい。双方に貴金属チップが設けられている場合には、相対向する貴金属チップ間で火花放電間隙が形成される。また、いずれか一方にのみ貴金属チップが設けられていてもよい。中心電極にのみ貴金属チップが設けられている場合には、相対向する貴金属チップと接地電極との間で火花放電間隙が形成され、接地電極にのみ貴金属チップが設けられている場合には、相対向する貴金属チップと中心電極との間で火花放電間隙が形成される。さらに、いずれにも貴金属チップを設けないこととしてもよい。この場合には、中心電極と接地電極との間で火花放電間隙が形成される。

上記構成１によれば、基本的には、中心電極側とは反対側の外周側面には凸状の湾曲面が形成されているため、混合気が接地電極の背面（外周側面）に直接当たるような位置関係になった場合であっても、混合気が接地電極の内側に廻り込んで、火花放電間隙に混合気が到達しやすい。そのため、着火性や火炎伝播性の向上を図ることができる。

また、接地電極先端部分は、接地電極のうちでも最も高温となっている部位であり、その外周面側に燃料が直撃することが想定される。この点、構成１では、絶縁体に面する側とは反対側の外周側面であって、かつ、軸線側の先端部分には軸線側の先端面から接地電極の長手方向に沿って０．２ｍｍ以上の長さを有する平坦面が形成されている。従って、噴射された燃料が前記平坦面に直撃した場合であっても、燃料のもつ熱衝撃ベクトルが集中しにくく、接地電極の結晶粒子が界面から脱落することが起こりにくいものとなる。その結果、虫食い現象を抑制することができる。

さらに、前記平坦面は、所定の幅を有している必要があるのは勿論のこと（例えば０．４ｍｍ〜１．２ｍｍ、より望ましくは０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ、さらに望ましくは０．６ｍｍ〜０．７ｍｍ）、軸線側の先端面から接地電極の長手方向に沿って０．２ｍｍ以上の長さを有している必要がある。長さが０．２ｍｍ未満の場合には、結晶粒子の脱落が起こりやすくなってしまい、虫食い現象が効果的に抑制されないものとなってしまうおそれがある。

また特に、接地電極のうち軸線と平行に延びる部位における前記接地電極の長手方向の中心軸に直交する第１断面に関し、断面積をＳ１、周長をＬ１とし、接地電極のうち軸線と直交する方向に延び、平坦面を含む部位における前記接地電極の長手方向の中心軸に直交する第２断面に関し、断面積をＳ２、周長をＬ２としたとき、０．９５０≦（Ｓ２／Ｌ２）／（Ｓ１／Ｌ１）≦０．９９５を満たしていることから、上述の虫食い現象を抑制することができるという作用効果がより確実に奏される。尚、（Ｓ２／Ｌ２）／（Ｓ１／Ｌ１）＜０．９５０の場合、或いは、（Ｓ２／Ｌ２）／（Ｓ１／Ｌ１）＞０．９９５の場合には、平坦面を形成することによる作用効果をさほど期待できず、虫食い現象が起こりやすいものとなってしまう。

また、着火性等の更なる向上を図るという観点、及び、上記作用効果をより有効とならしめるという観点からは、次の構成２とするのが望ましい。

構成２．本構成のスパークプラグは、構成１に記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
前記接地電極の前記外周側面の前記凸状の湾曲面は、断面円弧状をなしており、当該円弧の曲率半径が０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることを特徴とする。

構成２によれば、混合気が接地電極の背面（外周側面）に直接当たるような位置関係になった場合であっても、混合気が接地電極の内側に廻り込みやすく、火花放電間隙に混合気が一層到達しやすい。そのため、より一層の着火性や火炎伝播性の向上を図ることができる。また、当該円弧の曲率半径が０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下となっており、当該曲率半径の湾曲面が接地電極の先端まで延びている場合には、上述した虫食い現象が起こりやすい。かかる意味で、平坦部以外の湾曲面を構成する円弧の曲率半径が０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の場合に、虫食い現象を効果的に抑制できるといえる。これに対し、円弧の曲率半径が０．５ｍｍ未満の場合には、接地電極の長手方向の中心軸と表面との距離が短いものとなるため、表面からの放熱の影響が大きく、接地電極の先端部分の温度がさほど高くなりにくい。そのため、燃料直撃による虫食い現象が起こりにくいといえる。一方、円弧の曲率半径が１．０ｍｍを超える場合には、平坦面との差がそれほど大きくはならず、燃料のもつ熱衝撃ベクトルが集中しにくいといえる。そのため、この場合にも燃料直撃による虫食い現象が起こりにくいといえる。

以下に、一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、スパークプラグ１を示す一部破断正面図である。なお、図１では、スパークプラグ１の軸線ＣＬ１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１の先端側、上側をスパークプラグ１の後端側として説明する。

スパークプラグ１は、長尺状をなす絶縁体としての絶縁碍子２、これを保持する筒状の主体金具３などから構成されるものである。

絶縁碍子２には、軸線ＣＬ１に沿って軸孔４が貫通形成されている。そして、軸孔４の先端部側には中心電極５が挿入、固定され、後端部側には端子電極６が挿入、固定されている。軸孔４内における中心電極５と端子電極６との間には、抵抗体７が配置されており、この抵抗体７の両端部は導電性のガラスシール層８，９を介して、中心電極５と端子電極６とにそれぞれ電気的に接続されている。

中心電極５は、絶縁碍子２の先端から突出し、端子電極６は絶縁碍子２の後端から突出した状態でそれぞれ固定されている。また、中心電極５には、その本体部の先端に、イリジウムを主成分とする貴金属チップ（中心電極用貴金属チップ）３１が溶接により接合されている。

一方、絶縁碍子２は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成されており、その外形部において、軸線ＣＬ１方向略中央部において径方向外向きに突出形成されたフランジ状の大径部１１と、当該大径部１１よりも先端側においてこれよりも細径に形成された中胴部１２と、当該中胴部１２よりも先端側においてこれより細径に形成され、内燃機関（エンジン）の燃焼室に晒される脚長部１３とを備えている。絶縁碍子２のうち、大径部１１、中胴部１２、脚長部１３を含む先端側は、筒状に形成された主体金具３の内部に収容されている。そして、脚長部１３と中胴部１２との連接部には段部１４が形成されており、当該段部１４にて絶縁碍子２が主体金具３に係止されている。

主体金具３は、低炭素鋼等の金属により筒状に形成されており、その外周面にはスパークプラグ１をエンジンのシリンダヘッドに取付けるためのねじ部（雄ねじ部）１５が形成されている。ねじ部１５の後端側の外周面には座部１６が形成され、ねじ部１５後端のねじ首１７にはリング状のガスケット１８が嵌め込まれている。さらに、主体金具３の後端側には、主体金具３をシリンダヘッドに取付ける際にレンチ等の工具を係合させるための断面六角形状の工具係合部１９が設けられるとともに、後端部において絶縁碍子２を保持するための加締め部２０が設けられている。

また、主体金具３の内周面には、絶縁碍子２を係止するための段部２１が設けられている。そして、絶縁碍子２は、主体金具３の後端側から先端側に向かって挿入され、自身の段部１４が主体金具３の段部２１に係止された状態で、主体金具３の後端側の開口部を径方向内側に加締めること、つまり上記加締め部２０を形成することによって固定される。なお、絶縁碍子２及び主体金具３双方の段部１４，２１間には、円環状の板パッキン２２が介在されている。これにより、燃焼室内の気密性を保持し、燃焼室内に晒される絶縁碍子２の脚長部１３と主体金具３の内周面との隙間に入り込む燃料空気が外部に漏れないようにしている。

さらに、加締めによる密閉をより完全なものとするため、主体金具３の後端側においては、主体金具３と絶縁碍子２との間に環状のリング部材２３，２４が介在され、リング部材２３，２４間にはタルク（滑石）２５の粉末が充填されている。すなわち、主体金具３は、板パッキン２２、リング部材２３，２４及びタルク２５を介して絶縁碍子２を保持している。

また、主体金具３の先端面２６には、接地電極２７が接合されている。すなわち、接地電極２７は、前記主体金具３の先端面２６に対しその基端部が溶接されるとともに、先端側が前記軸線ＣＬ１側に曲げ返されて、その先端面が中心電極５の先端部（本実施形態では中心電極用貴金属チップ３１の先端面）とほぼ対向するように配置されている。また、本実施形態では、当該接地電極２７（の本体部）には、前記貴金属チップ３１の先端面に対向するようにして貴金属チップ３２が設けられている。より詳しくは、当該貴金属チップ３２は、接地電極２７本体部の内周側面に対し、レーザー溶接或いは電子ビーム溶接で接合されているとともに、当該内周側面から軸線ＣＬ１に沿って突出している（図２参照）。そして、これら貴金属チップ３１，３２間の隙間が火花放電間隙３３となっている。つまり、本実施形態では、軸線ＣＬ１方向にほぼ沿って火花放電が行われるようになっている。

尚、図２に示すように、中心電極５の本体部は、銅又は銅合金からなる内層５Ａと、ニッケル（Ｎｉ）合金からなる外層５Ｂとにより構成されている。中心電極５の本体部は、その先端側が縮径されるとともに、全体として棒状（円柱状）をなし、その先端面が平坦に形成されている。ここに円柱状をなす上記貴金属チップ３１を重ね合わせ、さらにその接合面外縁部に沿ってレーザー溶接、或いは、電子ビーム溶接等を施すことにより貴金属チップ３１と中心電極５本体部とが溶け合い、溶融部４１が形成される。すなわち、貴金属チップ３１は、中心電極５本体部先端に対し、溶融部４１で固着されることで接合されている。

一方、接地電極２７本体部は、内層２７Ａ及び外層２７Ｂからなる２層構造となっている。本実施形態における外層２７Ｂは、インコネル６００やインコネル６０１（いずれも登録商標）等のニッケル合金で構成されている。これに対し、内層２７Ａは、前記ニッケル合金よりも良熱伝導性金属である銅合金或いは純銅で構成されている。当該内層２７Ａの存在によって、熱引き性の向上が図られている。そして上述のとおり、接地電極２７用の貴金属チップ３２は、その内周側面に当接させられた上でレーザー溶接、或いは、電子ビーム溶接等が施されることにより貴金属チップ３２と接地電極２７本体部とが溶け合い、溶融部４２が形成される。すなわち、貴金属チップ３２は、接地電極２７本体部内周面側に対し、溶融部４２で固着されることで接合されている。尚、レーザー溶接、或いは、電子ビーム溶接以外にも、抵抗溶接で接合することとしてもよい。

また、上記中心電極５用の貴金属チップ３１がイリジウムを主成分としている点については言及したが、接地電極２７用の貴金属チップ３２は、例えば白金を主成分とし、２０質量％のロジウムを含有する貴金属合金により構成されている。但し、これらの素材構成はあくまでも例示であって、上記記載に何ら限定されるものではない。これら貴金属チップ３１，３２は、例えば次のようにして製造される。まず、主成分をイリジウム、或いは白金とするインゴットを用意し、上述した所定の組成となるよう各合金成分を配合・溶融し、当該溶融合金に関し再度インゴットを形成し、その後、当該インゴットについて熱間鍛造、熱間圧延（溝ロール圧延）を施す。その後、線引き加工を施すことで、棒状素材を得た後、それを所定長に切断することで、それぞれ円柱状の貴金属チップ３１，３２が得られる。

さて、本実施形態では、接地電極２７に特徴を有しており、以下には、当該特徴部分についてより詳細に説明する。

図３，４，５に示すように、本実施形態における接地電極２７（本体部）は、基本的には断面円形状をなしている。また、これとともに、接地電極２７のうち、中心電極５側とは反対側の（絶縁碍子２に面する側とは反対側の）外周側面であって、かつ、軸線ＣＬ１側の先端部分には軸線ＣＬ１側の先端面２７ｓから接地電極２７の長手方向に沿って０．２ｍｍ以上の長さを有する平坦面５１が形成されている。本実施形態における平坦面５１は、接地電極２７の先端部分の背面側の一部が切削加工等で切り欠かれることで形成されているが、例えばプレス加工等で形成されていてもよい。

また、接地電極２７のうち軸線ＣＬ１と平行に延びる部位における接地電極２７の長手方向の中心軸に直交する第１断面（例えば図６のＪ−Ｊ断面）に関し、断面積をＳ１、周長をＬ１とし（図７（ａ）参照）、接地電極２７のうち軸線ＣＬ１と直交する方向に延び、前記平坦面５１を含む部位における接地電極２７の長手方向の中心軸に直交する第２断面（例えば図６のＫ−Ｋ断面）に関し、断面積をＳ２、周長をＬ２としたとき（図７（ｂ）参照）、０．９５０≦（Ｓ２／Ｌ２）／（Ｓ１／Ｌ１）≦０．９９５を満たしている。

また、本実施形態では、前記第１断面［接地電極２７が断面円形状をなす点については上述したが、当該円（外周側面の円弧）］の曲率半径が０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下となるよう設定されている。

次に、上記のように構成されてなるスパークプラグ１の製造方法について説明する。まず、主体金具３を予め加工しておく。すなわち、円柱状に形成された金属素材（例えばＳ１５ＣやＳ２５Ｃといった鉄系素材やステンレス素材）を冷間鍛造加工により貫通孔を形成し、概形を製造する。その後、切削加工を施すことで外形を整え、主体金具中間体を得る。

一方で、断面円形状の接地電極２７の中間体を製造する。すなわち、接地電極２７の中間体は、未だ屈曲前の直棒状のものである。当該屈曲前の接地電極２７は、例えば次のようにして得られる。

すなわち、内層２７Ａを構成する金属材料よりなる芯材と、外層２７Ｂを構成する金属材料よりなる有底筒状体とを用意する（いずれも図示略）。そして、有底筒状体の凹部に対し、芯材を嵌入することにより、カップ材を形成する。次に、当該２層構造をもつカップ材に関し、冷間にて細化加工を施す。冷間での細化加工としては、例えば、ダイス等を用いた線引き加工、雌型等を用いた押出成形加工等により、細径化された棒状体が形成される。

続いて、前記主体金具中間体の先端面に、屈曲前、チップ接合前の接地電極２７（棒状体）を抵抗溶接により接合する。尚、抵抗溶接に際してはいわゆる「ダレ」が生じるので、その「ダレ」を除去する作業が行われる。

その後、主体金具中間体の所定部位に、ねじ部１５が転造によって形成される。これにより、屈曲前の接地電極２７の溶接された主体金具３が得られる。主体金具３等には、亜鉛メッキ或いはニッケルメッキが施される。尚、耐食性向上を図るべく、その表面に、さらにクロメート処理が施されることとしてもよい。

また、前記接地電極２７の先端部分に関し、切削又はプレスといった加工を行うことで前述の平坦面５１を形成する。当該切削又はプレス加工は、ねじ部１５の転造の後段階に行われてもよいし、前段階に行われてもよい。ねじ部１５の転造の前段階に行われる場合には、主体金具中間体への溶接の前段階に行われてもよいし、後段階に行われてもよい。

一方で、上述のように、円柱状の貴金属チップ３２を形成しておき、当該貴金属チップ３２を接地電極２７の内周側面に対し、レーザー溶接、或いは、電子ビーム溶接、或いは抵抗溶接により接合する。尚、溶接をより確実なものとするべく、当該溶接に先だって溶接部位のメッキ除去が行われたり、或いは、メッキ工程に際し溶接予定部位にマスキングが施されたりする。勿論、貴金属チップ３２或いは接地電極２７の内周側面のうち一方が他方の当接面に倣うよう適宜加工を施してもよい。また、当該貴金属チップ３２の溶接を、後述する組付けの後（曲げ加工の前）に行うこととしてもよい。

一方、前記主体金具３とは別に、絶縁碍子２を成形加工しておく。例えば、アルミナを主体としバインダ等を含む原料粉末を用い、成形用素地造粒物を調製し、これを用いてラバープレス成形を行うことで、筒状の成形体が得られる。得られた成形体に対し、研削加工が施され整形される。そして、整形されたものが焼成炉へ投入され焼成されることで、絶縁碍子２が得られる。

また、前記主体金具３、絶縁碍子２とは別に、中心電極５を製造しておく。すなわち、Ｎｉ系合金が鍛造加工され、その中央部に放熱性向上を図るべく銅芯が設けられる。そして、その先端部には、上述した貴金属チップ３１が、レーザー溶接等により接合される。

そして、上記のようにして得られた貴金属チップ３１が接合された中心電極５と、端子電極６とが、やはり図示しないガラスシールによって前記絶縁碍子２の軸孔４へ封着固定される。ガラスシールとしては、一般的にホウ珪酸ガラスと金属粉末とが混合されて調製されたものが用いられる。そして先ず中心電極５を絶縁碍子２の軸孔４へ挿通した状態とし、前記調製されたシール材が絶縁碍子２の軸孔４に注入された後、後方から前記端子電極６が押圧された状態とした上で、焼成炉内にて焼き固められる。尚、このとき、絶縁碍子２の後端側の胴部表面には釉薬層が同時に焼成されることとしてもよいし、事前に釉薬層が形成されることとしてもよい。

その後、上記のようにそれぞれ作製された中心電極５及び端子電極６を備える絶縁碍子２と、直棒状の接地電極２７を備える主体金具３とが組付けられる。より詳しくは、比較的薄肉に形成された主体金具３の後端部に対し、冷間加締めや熱間加締めが行われることで、周方向から絶縁碍子２の一部が主体金具３に取り囲まれるようにして保持される。

そして、最後に、直棒状の接地電極２７を曲げ返すことで、中心電極５（の貴金属チップ３１）及び接地電極２７（の貴金属チップ３２）間の前記火花放電間隙３３を調整する加工が実施される。

このように一連の工程を経ることで、上述した構成を有するスパークプラグ１が製造される。

以上詳述したように、本実施形態によれば、接地電極２７が円柱状をなしている。すなわち、接地電極２７のうち、絶縁碍子２に面する側とは反対側の外周側面に凸状の湾曲面が形成されていることとなる。このため、図４に示すように、混合気が接地電極２７の背面（外周側面）に直接当たるような位置関係になった場合であっても、混合気が接地電極２７の内側に廻り込んで、火花放電間隙３３に混合気が到達しやすい。そのため、着火性や火炎伝播性の向上を図ることができる。

また、接地電極２７先端部分は、接地電極２７のうちでも最も高温となっている部位であり、その外周面側に燃料が直撃することが想定される。この点、本実施形態では、絶縁碍子２に面する側とは反対側の外周側面であって、かつ、軸線ＣＬ１側の先端部分には軸線ＣＬ１側の先端面から０．２ｍｍ以上の長さを有する平坦面５１が形成されている。従って、例えば図８（ａ）に示すように、噴射された燃料が前記平坦面５１に直撃した場合であっても、燃料のもつ熱衝撃ベクトル（図中矢印参照）が１点に集中しにくく、接地電極２７の結晶粒子が界面から脱落することが起こりにくいものとなる。その結果、虫食い現象を効果的に抑制することができる。

ここで、上記効果を確認するべく、種々のサンプルを作製し、種々の評価を試みた。その実験結果を以下に記す。

まず第１に、平坦面５１の長さをＡ（ｍｍ）とし、当該長さＡ（ｍｍ）を種々変更するとともに、第１断面及び第２断面の、断面積たるＳ１及びＳ２、周長たるＬ１及びＬ２を種々変更した接地電極を有するスパークプラグのサンプルを作製した。そして、各サンプルに関し、耐久試験を実施した。より詳しくは、各サンプルを２．０Ｌ、筒内直接噴射（ＤＩ）エンジンに取付け、高速道路模擬走行パターンを９２０時間継続実施（約１０万ｋｍ走行した場合に相当する試験を実施）した。そして、耐久試験の前と後とで、接地電極先端面から２．０ｍｍまでにおけるＣＴスキャン画像に基づき断面積を計測した。その場合における試験前後の断面積比を求め、最小の断面積比を評価することとした。この場合において、断面積比が小さい場合には、えぐれ度合いが大きい、つまり虫食い現象が起きやすいといえる。図９に、（Ｓ２／Ｌ２）／（Ｓ１／Ｌ１）に対する耐久試験前後の断面積比の関係を示す。

同図からも明らかなように、平坦面５１の長さであるＡ（ｍｍ）が０．２ｍｍを下回る場合（例えば０．１ｍｍの場合）には、試験前後における断面積比が著しく小さいものとなってしまった。これは、平坦部が十分でないことから、結晶粒子の脱落が起こり、虫食い現象が起こってしまったことによるものと考えられる。一方、平坦面５１の長さであるＡ（ｍｍ）が０．２ｍｍ以上の場合には、断面積比の低下が起こりにくく、効果的に虫食い現象を抑制できることが明らかとなった。

特に、Ａ≧０．２ｍｍの場合において、０．９５０≦（Ｓ２／Ｌ２）／（Ｓ１／Ｌ１）≦０．９９５を満たす場合には、断面積比の低下がほとんど起こらず、虫食い現象が飛躍的に抑制できることが明らかとなった。逆に、Ａ≧０．２ｍｍを満たす場合であっても、（Ｓ２／Ｌ２）／（Ｓ１／Ｌ１）＜０．９５０の場合、或いは、（Ｓ２／Ｌ２）／（Ｓ１／Ｌ１）＞０．９９５の場合には、断面積比の低下が起こってしまうことが明らかとなった。

次に、上記断面積比が低下することによるプレイグニッションの影響を検証するべく、断面積比に対する、プレイグニッションが発生したときの点火時期（゜ＣＡ）の関係を検討した。その結果を図１０に示す。尚、プレイグニッションが発生したときの点火時期を計測するべく、排気量２．０Ｌ、６気筒のエンジンを用い、スロットル全開条件下一定の点火時期にて運転を継続していき、プレイグニッションが発生したときの点火時期を測定した。同図に示すように、断面積比が０．９９５以上の場合には、プレイグニッションの発生する点火時期が、フル進角に相当するＢＴＤＣ３３（゜ＣＡ）であったのに対し、断面積比が０．９９５を下回る場合には、プレイグニッションの発生する点火時期がより遅角側、つまり、より緩やかな条件たる点火時期においてプレイグニッションが発生してしまった。このことから、断面積比が０．９９５を下回る範囲［（図９では０．９９５よりも下側、図１０では０．９９５よりも右側］が、耐プレイグニッションレベルが低下する範囲であるといえる。

尚、虫食い現象が起こると（断面積比が低下）すると、えぐれた部位の周囲が尖った形状となり、かかる尖った部分がいわば熱だまりとなりやすい。そのため、その部分がより高温となり、所期の点火時期よりも前に、前記高温部分が起点となって着火燃焼が起こってしまう（プレイグニッション）。この点、Ａ≧０．２ｍｍの場合において、０．９５０≦（Ｓ２／Ｌ２）／（Ｓ１／Ｌ１）≦０．９９５を満たすことで、断面積比を０．９９５以上とすることができ、ひいては耐プレイグニッションレベルの低下を抑制できるといえる。

次に、平坦面５１の長さたるＡ（ｍｍ）を０．３ｍｍに固定し、接地電極の半径（外周面側の曲率半径に等しい）を種々変更するとともに、第１断面及び第２断面の、断面積たるＳ１及びＳ２、周長たるＬ１及びＬ２を種々変更した接地電極を有するスパークプラグのサンプルを作製した。そして、各サンプルに関し、上記第１の試験と同様の耐久試験を実施した。尚、この場合において、接地電極として、その半径（＝外周面側の曲率半径）Ｒ（ｍｍ）が、「０．４（ｍｍ）」、「０．５（ｍｍ）」、「０．８（ｍｍ）」、「１．０（ｍｍ）」、「１．１（ｍｍ）」のものを用いた。その結果を図１１に示す。

図１１に示すように、０．５（ｍｍ）≦Ｒ≦１．０（ｍｍ）を満たすサンプルについては、０．９５０≦（Ｓ２／Ｌ２）／（Ｓ１／Ｌ１）≦０．９９５の範囲で断面積比の低下を防止でき、ひいては虫食い現象を抑制できることが明らかとなった。

これに対し、Ｒ＜０．５（ｍｍ）の場合、Ｒ＞１．０（ｍｍ）の場合には、虫食い現象自体が起こりにくく、平坦面を設け、０．９５０≦（Ｓ２／Ｌ２）／（Ｓ１／Ｌ１）≦０．９９５とすることの意義が小さいといえる。尚、Ｒ＜０．５（ｍｍ）の場合には、接地電極の長手方向の中心軸と表面との距離が短いものとなるため、表面からの放熱の影響が大きく、接地電極の先端部分の温度がさほど高くなりにくいため、虫食い現象が起こりにくいと考えられる。一方、Ｒ＞１．０（ｍｍ）の場合には、平坦面との差がそれほど大きくはならず、燃料のもつ熱衝撃ベクトルが集中しにくいため、虫食い現象が起こりにくいと考えられる。

尚、上述した実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。

（ａ）上記実施形態では、平坦面５１を除き、断面円形状をなす接地電極２７を用いることとしているが、必ずしも断面円形状に限られるものではなく、外周側面に凸状の湾曲面が形成されていればよい。従って、例えば図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、接地電極２７のうち、外周面側が断面円弧状をなしている一方で、内周面側が平坦面を有するような断面形状であってもよい。すなわち、同図矢印方向に示すように、接地電極２７を背面側（外周面側）から見たとき、当該視認される部位が湾曲面になっていればよい。但し、例えば、図１２（ｄ）に示すように、断面矩形状の接地電極の背面側両側の角部を湾曲状に面取りしたような場合には、両角部間の面取りされていない面（同図太線で示す部位）は依然として平面であり、凸状の湾曲面とはいえない。

（ｂ）上記実施形態では、接地電極２７、中心電極５の双方ともに、貴金属チップ３１，３２を有する場合について具体化されているが、いずれか一方にのみ貴金属チップが設けられていてもよい（例えば、図１３に示すように、中心電極５にのみ貴金属チップ３１を設け、接地電極２７側の貴金属チップを省略することとしてもよい）。中心電極５にのみ貴金属チップ３１が設けられている場合には、相対向する貴金属チップ３１と接地電極２７との間で火花放電間隙３３が形成される。また逆に、接地電極２７にのみ貴金属チップ３２が設けられている場合には、相対向する貴金属チップ３２と中心電極５との間で火花放電間隙３３が形成されることとなる。さらに、いずれにも貴金属チップを設けないこととしてもよい。この場合には、中心電極５と接地電極２７との間で火花放電間隙３３が形成されることとなる。

（ｃ）上記実施形態では、貴金属チップ３２は、接地電極２７の内周側面に溶接されており、貴金属チップ３２の軸線ＣＬ１方向における端面（図２の下端面）が、中心電極用貴金属チップ３１の先端面と対向して配置された構成が採用されている。すなわち、前記軸線ＣＬ１方向にほぼ沿って火花放電が行われるタイプのスパークプラグに具体化されている。これに対し、図１４，１５に示すように、接地電極２７の先端面２７ｓから軸線ＣＬ１に向けて突出し、中心電極用貴金属チップ３１の外周（或いは中心電極５の外周）と、貴金属チップ３２との間の隙間が火花放電間隙３３となるように構成してもよい。つまり、この場合には、軸線ＣＬ１方向と直交する方向にほぼ沿って（いわば横方向に）火花放電が行われる。

（ｄ）さらに、図１６に示すように、内側面が平坦面２７ｆとなっている略かまぼこ型の接地電極２７の前記平坦面２７ｆに対し、その先端面から中心電極に向かって突出するようにして、角柱状の貴金属チップ３２１を接合することとしてもよい。また、同図に示すように、貴金属チップ３２１の一部が前記平坦面２７ｆに対し埋没するようなかたちで接合（例えば抵抗溶接）することとしてもよい。

（ｅ）上記実施形態では、１本の接地電極２７が設けられたスパークプラグについて例示されているが、２本以上の接地電極を有するタイプのスパークプラグに具現化することもできる。

（ｆ）上記実施形態では、説明の便宜上、接地電極２７（本体部）や中心電極５（本体部）を単なる２層構造をなすものとして説明しているが、３層構造或いは４層以上の多層構造をなしていてもよい。また、複層構造ではなく、単層構造をなしていてもよい。

本実施形態のスパークプラグの構成を示す一部破断正面図である。 スパークプラグの部分拡大断面図である。 接地電極の背面（外周側面）等を示すスパークプラグの部分側面図である。 スパークプラグの部分平面図である。 接地電極等を示す部分斜視図である。 第１断面、第２断面等の外面を説明する図であって、接地電極等の部分正面図である。 （ａ）は接地電極の第１断面を示す図６のＪ−Ｊ線断面図であり、（ｂ）は接地電極の第２断面を示す図６のＫ−Ｋ線断面図である。 （ａ）は本実施形態の燃料直撃時のメカニズムを説明する概念図であり、（ｂ）は従来技術における燃料直撃時のメカニズムを説明する概念図である。 （Ｓ２／Ｌ２）／（Ｓ１／Ｌ１）に対する試験前後の断面積比の関係を示すグラフである。 断面積比に対するプレイグニッション発生時の点火時期の関係を示すグラフである。 接地電極の曲率半径を変更させた場合における（Ｓ２／Ｌ２）／（Ｓ１／Ｌ１）に対する試験前後の断面積比の関係を示すグラフである。 （ａ）〜（ｃ）は別の実施形態における接地電極の断面形状を示す模式図であり、（ｄ）は本実施形態に含まれない態様を示す模式図である。 別の実施形態におけるスパークプラグを示す部分拡大断面図である。 別の実施形態におけるスパークプラグを示す部分拡大断面図である。 別の実施形態における接地電極等を示す部分斜視図である。 別の実施形態における接地電極等を示す部分斜視図である。

符号の説明

１…スパークプラグ、２…絶縁碍子、３…主体金具、５…中心電極、２７…接地電極、２７ｓ…先端面、３３…火花放電間隙、５１…平坦面。

Claims (2)

1. 軸線方向に延びる棒状の中心電極と、
   前記中心電極の外周に設けられた略円筒状の絶縁体と、
   前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
   基端が前記主体金具の先端部に接合され、先端が前記軸線に向けて曲げられて配置された接地電極とを備え、
   前記中心電極の先端部及び前記接地電極の先端部間に火花放電間隙を有する内燃機関用スパークプラグであって、
   前記接地電極のうち、
   前記絶縁体に面する側とは反対側の外周側面であって、かつ、前記軸線側の先端部分には前記軸線側の先端面から前記接地電極の長手方向に沿って０．２ｍｍ以上の長さを有する平坦面が形成されるとともに、
   当該平坦面を除く前記絶縁体に面する側とは反対側の外周側面には凸状の湾曲面が形成されており、
   前記接地電極のうち前記軸線と平行に延びる部位における前記接地電極の長手方向の中心軸に直交する第１断面に関し、断面積をＳ１、周長をＬ１とし、
   前記接地電極のうち前記軸線と直交する方向に延び、前記平坦面を含む部位における前記接地電極の長手方向の中心軸に直交する第２断面に関し、断面積をＳ２、周長をＬ２としたとき、
   ０．９５０≦（Ｓ２／Ｌ２）／（Ｓ１／Ｌ１）≦０．９９５
   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. 前記接地電極の前記外周側面の前記凸状の湾曲面は、断面円弧状をなしており、当該円弧の曲率半径が０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用スパークプラグ。

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