JP4465296B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の着火用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の着火用に使用されるスパークプラグは、軸方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、該絶縁体の軸孔の先端側に配設される中心電極と、前記絶縁体の周囲を取り囲む主体金具と、一端部が該主体金具に結合され、他端部が前記中心電極の先端面と対向し、該中心電極の先端面と放電ギャップを形成する接地電極とを備えている。そして、このスパークプラグを用いて放電ギャップで火炎核を作り、その火炎核を混合気流（例えば、スワール流やタンブル流）に晒して火炎核を成長させることにより、内燃機関の着火を行っている。

ところで、内燃機関にスパークプラグを配置する際の接地電極の配置位置によってスパークプラグの着火性に影響を及ぼすことが知られている。例えば、混合気流の方向に対し、接地電極が火花放電ギャップよりも上流に位置する場合には、接地電極が障害となって混合気が放電ギャップ間に流れ込み難いため、火炎の成長が抑制され、スパークプラグの着火性が低下してしまう虞がある。

そこで、この対策の１つとして、接地電極に中心電極を向く内側面からその反対の外側面まで貫通孔を形成した構造が知られている。（特許文献１、２参照）。これは、接地電極の風上から吹き込む混合気流が貫通孔を通って放電ギャップ近傍に流れ込むことで、火炎の成長が抑制されるのを防ぎ、接地電極が放電ギャップよりも上流側に位置する場合におけるスパークプラグの着火性を向上させている。
特開昭５９−３１７９５ 特開昭５５−１２８２８５

近年、エンジンの更なる高性能化の要求が高まりつつあり、スパークプラグにおいても、更なる着火性の向上が求められている。しかしながら、特許文献１や特許文献２のスパークプラグでは、貫通孔を通った混合気流が放電ギャップだけでなく、放電ギャップから外れたその周囲にも吹き付けられるため、スパークプラグの着火性を更に向上することが難しかった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、接地電極に貫通孔を有するスパークプラグにおいて、貫通孔を通る混合気流が放電ギャップに効率よく流れ込むことで、着火性の優れたスパークプラグを提供することにある。

本発明のスパークプラグは、軸方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、該絶縁体の軸孔の先端側に配設される中心電極と、前記絶縁体の周囲を取り囲む主体金具と、一端部が該主体金具に結合され、他端部が前記中心電極の先端面と対向し、該中心電極の先端面と放電ギャップを形成する接地電極と、を備え、前記接地電極は、前記中心電極を向く内側面から該内側面とは反対の外側面まで貫通孔を有するスパークプラグにおいて、前記貫通孔は、前記接地電極の長手方向に延びる一対の長手面と、該長手面を繋ぐ一対の連結面により形成され、且つ一対の長手面により該貫通孔が前記外側面から前記内側面に向かって縮径しており、前記放電ギャップを通り前記軸方向と鉛直な断面にて切断した第１切断面を見たときに、該第１切断面には前記長手面が切断された一対の長手線が形成され、前記第１切断面に前記中心電極の前記先端面を投影したとき、該長手線を延ばした２本の延長線が、該２つの延長線の交点よりも前記接地電極の前記一端部側にて前記中心電極の前記先端面の投影面とそれぞれ交差することを特徴とする。

本発明のスパークプラグの貫通孔は、接地電極の長手方向に延びる一対の長手面により接地電極の外側面から内側面に向かって縮径している。このように貫通孔を形成することで、上流から流れ込む混合気流に対して、貫通孔内にて放電ギャップに効率よく流れ込むように誘導して放電ギャップ間に混合気を収束させることができ、混合気流速を加速させることができるため、スパークプラグの着火性を向上することができる。

そして、放電ギャップを通り軸方向と鉛直な断面にて切断した第１切断面を見たときに、該第１切断面には長手面が切断された一対の長手線が形成され、第１切断面に中心電極の先端面を投影したとき、該長手線を延ばした２本の延長線が、該２つの延長線の交点よりも接地電極の一端部側にて中心電極の先端面の投影面とそれぞれ交差している。このように混合気流の規制を行う長手面を上記関係とすることで、貫通孔内を通る混合気流を効率よく放電ギャップに流れ込ませることができる。なお、長手線を延ばした２本の延長線の一方が、該２つの延長線の交点よりも接地電極の一端部側にて中心電極の先端面の投影面と交差しない場合、上記効果を得ることが難しい。また、該長手線を延ばした２本の延長線が、該２つの延長線の交点よりも接地電極の他端部側にて中心電極の先端面の投影面とそれぞれ交差している場合、混合気流が放電ギャップから外れて吹き付けられるように規制されるため、スパークプラグの着火性の向上が難しい。

なお、「中心電極の先端面の投影面」とは、切断した第１切断面に対して中心電極の先端面を軸方向に移動させたときにできる面のことを指す。また、「長手線を延ばした２本の延長線が、該２つの延長線の交点よりも接地電極の一端部側にて中心電極の先端面の投影面とそれぞれ交差している」とは、延長線が中心電極の投影面と重なるように形成されるものはもちろんのこと、延長線が中心電極の投影面に接する接線となっていることも含む。さらに、長手面は、上記関係となる部位が接地電極の長手方向の一部であってもよいし、長手面全体であってもよい。

ところで、接地電極に設けられる貫通孔は、できる限り大きくすることで、接地電極の風上から混合気流が貫通孔をより通り易くなり、スパークプラグの着火性を向上することができる。このため、接地電極の一端部側に位置する第１連結面と、接地電極の他端部側に位置する第２連結面との距離をできる限り離すことが好ましい。しかし、第１連結面をより接地電極の一端部側に形成すると、中心電極の先端部が障害となって貫通孔を通った混合気流が放電ギャップに吹き付けられ難くなり、スパークプラグの着火性の向上が望めないことがある。そこで、本発明のスパークプラグでは、前記放電ギャップの中心を通り前記接地電極の重心を含む断面にて切断した第２切断面を見たとき、該第２切断面に前記連結面が切断された一対の連結線が形成され、一対の前記連結線は、前記接地電極の前記一端部側に位置する第１連結線と、前記接地電極の前記他端部側に位置する第２連結線とからなり、前記第２切断面を見たときに、前記第１連結線を延ばした第３延長線が、前記中心電極の前記先端面のうちで前記接地電極の前記一端部側に位置する先端面縁よりも先端側に延びることが好ましい。このように、中心電極の先端面縁よりも先端側に延びるようにすることで、風上から吹き込む混合気流に対して、中心電極の先端部が障害となることが無く貫通孔内にて放電ギャップにより効率よく流れ込むように誘導することができ、スパークプラグの着火性をより向上させることができる。

さらに、本発明のスパークプラグは、前記連結面が前記接地電極の前記一端部側に位置する第１連結面と、前記接地電極の前記他端部側に位置する第２連結面とからなり、前記第１連結面は、前記絶縁体の先端面よりも先端側に形成されていることが好ましい。第１連結面が絶縁体の先端面よりも後端側に形成されると、貫通孔を通り易くなる効果がほとんど変わらず、逆に絶縁体の先端部が障害となって混合気流が放電ギャップに流れ込み難くなり、スパークプラグの着火性の向上が望めないことがある。よって、第１連結面が絶縁体の先端面よりも先端側に形成されていることで、混合気流が貫通孔を通り易くすることができ、スパークプラグの着火性を向上させることができる。

さらに、本発明のスパークプラグは、前記接地電極の前記外側面における一対の前記長手面の幅方向距離は、前記接地電極の幅方向距離の３／５以下であることが好ましい。上述したが、接地電極に設けられる貫通孔は、できる限り大きくすることで、接地電極の風上から混合気流が貫通孔をより通り易くなり、スパークプラグの着火性を向上することができる。これは、連結面だけでなく、長手面についても同様にその幅方向距離（貫通孔の幅方向の距離）を広げることでスパークプラグの着火性を向上することができる。しかし、長手面の幅方向距離が接地電極の幅方向距離の３／５を超えると、接地電極の強度が著しく低下する。よって、長手面の幅方向距離が接地電極の幅方向距離の３／５以下とすることで、接地電極の強度劣化を少なく保ちつつ、接地電極の風上から混合気流が貫通孔をより通り易くなり、スパークプラグの着火性を向上することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図１は、本実施形態のスパークプラグ１００の全体断面図、図２は、図１のスパークプラグ１００の要部を矢印Ａから見た側面図である。本実施形態のスパークプラグ１００は、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に嵌め込まれた絶縁体２、先端部を突出状態で絶縁体２の内側に設けられた中心電極３、一端部４１が主体金具１に接合され、他端部４２が中心電極の先端面３４と対向する接地電極４等を備えている。そして、接地電極４の他端部４２と中心電極３の先端面３４とが放電ギャップｇを形成している。なお、本実施形態において、先端とは図１の下方であり、後端とは図１の上方である。

主体金具１は炭素鋼等で形成され、図１に示すように、その外周面には、スパークプラグ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１１、エンジンブロックに取り付ける際にスパナ等の工具が係合する六角部１２が先端側から順に形成されている。また、主体金具の後端側開口部には、後述する絶縁体２を固定するための加締め部１３が形成されている。一方、主体金具の内部には軸Ｏ方向に延びる主体金具内孔１４が形成されており、さらに略中央部には、内側に突出する突出部１５が形成されている。この突出部１５は、後述する絶縁体２の中径部２２とパッキン９を介して係合する。

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、略中央部に径大部２１が形成されている。さらに径大部２１より先端側には主体金具１の突出部１５に係合する中径部２２と、主体金具１の先端から突出する小径部２３が形成されている。また、径大部２１より後端側には、主体金具１の後端から突出するコルゲーション部２４が形成されている。一方、絶縁体２の内部には軸線Ｏ方向に延びる絶縁体貫通孔２５を有している。この絶縁体貫通孔２５は、大径孔２５１と、その先端側に形成される小径孔２５２と、大径孔２５１と小径孔２５２とを連結するテーパ孔２５３とがそれぞれ形成されている。

中心電極３は、主として絶縁体２の絶縁体貫通孔２５の小径部２５２に配置されている。この中心電極３は後端側に突出部３１を有し、絶縁体のテーパ孔２５３に係合して固定されている。この中心電極３は電極母材３２と、電極母材３２に溶接にて接合され、絶縁体２から先端側に突出する貴金属材料からなるチップ３３とを有している。電極母材３２は、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６００等のＮｉ合金からなり、チップ３３は、ＩｒやＰｔを主体とする合金、具体的には、Ｐｔ−Ｉｒ、Ｐｔ−Ｒｈ等のＰｔ合金や、Ｉｒ−５ｗｔ％Ｐｔ、Ｉｒ−２０ｗｔ％Ｒｈ等のＩｒ合金が挙げられる。

また、絶縁体２の絶縁体貫通孔２５の大径孔２５１には、端子金具５が挿入、固定されている。そして、絶縁体２の絶縁体貫通孔２５内において、端子金具５と中心電極３との間に抵抗体６が配置されている。さらに、この抵抗体６の両端部は、導電性ガラスシール層７、８を介して中心電極３と端子金具５とにそれぞれ電気的に接続されている。

接地電極４は、一端部４１が主体金具１の先端面に対して溶接等により固着・一体化されている。一方、接地電極４の他端部４２は、チップ３３の先端面３４に対向するように曲げられている。

そして、接地電極４の内側面４４から外側面４５を貫く貫通孔４３が形成されている。この貫通孔４３は、図２に示されるように、接地電極４の長手方向に延びる長手面（第１長手面４３１、第２長手面４３２）と、第１長手面４３１と第２長手面４３２とを繋ぐ連結面（第１連結面４３３、第２連結面４３４）とにより形成されている。なお、接地電極４の一端部４１側に第1連結面４３３が、接地電極４の他端部４２側に第２連結面４３４が形成されている。そして、第１長手面４３１と第２長手面４３２により、貫通孔４３は外側面４５から内側面４４に向かって（図２の表裏方向）縮径されている。このように、貫通孔４３を形成することで、接地電極４の上流から流れ込む混合気流に対して、貫通孔４３内にて放電ギャップｇに効率よく流れ込むように誘導して放電ギャップ間に混合気を収束させることができ、混合気流速を加速させることができるため、スパークプラグ１００の着火性を向上することができる。

さらに、接地電極４の外側面４５における第1長手面４３１と第２長手面４３２との幅方向距離Ｗ１は、１．５ｍｍとなっている。一方、接地電極４の幅方向距離Ｗ２は、２．５ｍｍとなっている。このように、接地電極４の外側面４５における第1長手面４３１と第２長手面４３２との幅方向距離Ｗ１が、接地電極４の幅方向距離Ｗ２の３／５以下とすることで、接地電極４の強度劣化を少なく保ちつつ、接地電極４の風上から混合気流が貫通孔をより通り易くなり、スパークプラグ１００の着火性を向上することができる。

次に、第１長手面４３１と第２長手面４３２について詳細に説明する。図３は、図１のＢ−Ｂ´断面図である。このＢ−Ｂ´断面図は、放電ギャップｇの一点ｇ１を通り軸Ｏ方向と鉛直に断面した断面図である。さらにＢ−Ｂ´断面図には、中心電極３の先端面３４を投影した投影面３４´が表示されている。この第１長手面４３１と第２長手面４３２は、Ｂ−Ｂ´断面図上に、それぞれ第１長手線４３１´と第２長手線４３２´とで表される。

そして、この第１長手線４３１´と第２長手線４３２´とをそれぞれ延ばした延長線（第１延長線ｓ１、第２延長線ｓ２）が、第１延長線ｓ１と第２延長線ｓ２との交点ｓ３よりも接地電極４の一端部４１側にて投影面３４´とそれぞれ交差している。このように混合気の乱流の規制を行う第１長手面４３１、第２長手面４３２を上記関係とすることで、貫通孔４３内を通る混合気流を効率よく放電ギャップｇに導くことができる。

具体的に説明すると、混合気流ｔ１が貫通孔４３に流れ込むと、第１長手面４３１によって誘導され、第１延長線ｓ１に沿う向きで吹き出す（図３参照）。すると、この混合気流ｔ１は、投影面３４´上を通ることとなり、放電ギャップｇに吹き付けられる。一方、混合気の乱流ｔ２が貫通孔４３に流れ込むと、第２長手面４３２によって誘導され、第２延長線ｓ２に沿う向きで吹き出す（図３参照）。すると、この混合気流ｔ２は、投影面３４´上を通ることとなり、放電ギャップｇに吹き付けられる。このように、混合気流ｔ１、ｔ２がそれぞれ放電ギャップｇに吹き付けられるようになり、スパークプラグ１００の着火性を向上することができる。

次に、第１連結面４３３と第２連結面４３４について詳細に説明する。図４は、図１の要部拡大図（断面図）である。そして、第１連結面４３３と第２連結面４３４は、図４上に、それぞれ第１連結線４３３´と第２連結線４３４´とで表される。

そして、第１連結線４３３´を通る第３延長線ｓ４が、中心電極３の先端面３４のうちで接地電極４の一端部４１側に位置する先端面縁ｓ５よりも先端側に延びている。これにより、風上から流れ込む混合気流に対して、中心電極３のチップ３３等が障害となることが無く貫通孔４３内にて放電ギャップｇにより効率よく流れ込むように誘導することができる。

具体的に説明すると、混合気流ｔ３が貫通孔４３に流れ込むと、第１連結面４３３によって誘導され、第３延長線ｓ４に沿う向きで吹き出す（図４参照）。すると、この混合気の乱流ｔ３は、先端面縁ｓ５よりも先端側を通ることとなり、中心電極３のチップ３３等が障害となることが無くなる。これにより、スパークプラグ１００の着火性を向上することができる。

さらに、この第１連結面４３３は、絶縁体２の先端面２６よりも先端側に形成されている。これにより、混合気流ｔ１、ｔ２、ｔ３が貫通孔４３を通り易くすることができ、スパークプラグ１００の着火性を向上させることができる。

次に、本実施形態のスパークプラグ１００の製造方法について説明する。まず、所定形状に作成された絶縁体２の先端側に中心電極３を挿入し、絶縁体２の絶縁体貫通孔２５のテーパ孔２５３に中心電極３の突出部３１を係合する。なお、中心電極３は、既に電極本体３２にチップ３３が抵抗溶接やレーザ溶接等を用いて溶接されている。その後、中心電極３の後端側に焼成後に導電性ガラスシール層７、抵抗体６、導電性ガラスシール層８となるガラス粉末を充填し、さらに端子金具５を挿入し、封着する。その後、中心電極３や端子金具５等が固定された絶縁体２を主体金具１に固定する。具体的には、主体金具１の突出部１５にパッキン９を介し、絶縁体２の中径部２２を係合する。そして、絶縁体２の大径部２１の後端側にタルク等を封入し、主体金具１の加締め部１３を加締める。その後、主体金具１の先端に、接地電極４の一端４１を抵抗溶接やレーザ溶接等を用いて溶接する。なお、この接地電極４は、貫通孔４３が切削等により形成されている。そして、接地電極４の他端部４２を中心電極３の先端面３４に向かって曲げる。これによりスパークプラグ１００が完成する。

本発明の効果を確認するために、以下の実験を行った。
図１に示す形状のスパークプラグ１００の各種試験品を以下のように用意した。まず、絶縁体２の材質として焼結アルミナセラミックを、中心電極３の電極本体３２としてＩＮＣＯＮＥＬ６００、チップ３３の材質として、Ｉｒ−２０ｗｔ％Ｒｈ、を、それぞれ選定した。なお、チップ３３の直径をφ０．６ｍｍとし、高さ０．８ｍｍとしている。また、接地電極４の幅Ｗ１は２．５ｍｍとしている。

そして、外側面４５における貫通孔４３の幅Ｗ２を１．５ｍｍとして、図３に示される第１延長線ｓ１、第２延長線ｓ２となる第１長手面４３１、第２長手面４３２を実施例として作成した。また、図３に示される第１延長線ｓ１´、第２延長線ｓ２´となる第１長手面４３１、第２長手面４３２を比較例１、図３に示される第１延長線ｓ１´´、第２延長線ｓ２´´となる第１長手面４３１、第２長手面４３２を比較例２として作成した。なお、第1延長線ｓ１´´、第２延長線ｓ２´´は平行に形成されている。

実施例、比較例１、比較例２のスパークプラグ１００を可視エンジンに取り付け、火炎核の拡散状態を調べた。そのときの火炎核拡散状態を示した図を図５〜７に示す。なお、図５は実施例のスパークプラグ１００の火炎核拡散状態図であり、図６は比較例１のスパークプラグ１００の火炎核拡散状態図であり、図７は比較例２のスパ−クプラグ１００の火炎核拡散状態図である。

この図５〜図７を見ると、比較例１、２に対して実施例の火炎核は、広範囲まで拡散し、ギャップ間から接地電極の対向方向に噴出しているように拡がっていることが分かる。

更に、実施例、比較例１、比較例２について２．０リットル、６気筒、ＤＯＨＣエンジンを用い、７００ｒｐｍにて点火時期を過進角し、そのときの燃焼の変動率（Ｐｉ変動率）を測定した。なお、変動率が小さい（０％に近づく）と着火性が安定しており、変動率が大きい（１００％に近づく）と着火性が不安定となる。結果を表１に示す。

これによると、実施例のスパークプラグ１００は、比較例１、比較例２に対して点火時期を進めても着火性が安定していることがわかる。

なお、本発明においては、上述した具体的な実施形態に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施形態とすることができる。例えば、本発明のスパークプラグ１００において、接地電極４にチップを設けてもよい。

また、本発明のスパークプラグ１００は、中心電極３は電極本体３２のみであるが、これに限らず、中心電極３の電極本体３２が表面に形成され、内部に金属芯が挿入されていてもよい。そして、この場合の金属芯の材質は、Ｃｕ、Ａｇ等の単体または合金から形成されている。

本発明のスパークプラグ１００の本実施形態を示す正面断面図。 図１におけるＡ方向からの側面図。 図１におけるＢ−Ｂ´断面図。 図１の要部拡大断面図。 実施例の火炎核拡散状態図。 比較例１の火炎核拡散状態図。 比較例２の火炎核拡散状態図。

符号の説明

１ 主体金具
２ 絶縁体
３ 中心電極
４ 接地電極
４３ 貫通孔
１００ スパークプラグ

Claims (4)

1. 軸方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
   該絶縁体の軸孔の先端側に配設される中心電極と、
   前記絶縁体の周囲を取り囲む主体金具と、
   一端部が該主体金具に結合され、他端部が前記中心電極の先端面と対向し、該中心電極の先端面と放電ギャップを形成する接地電極と、を備え、
   前記接地電極は、前記中心電極を向く内側面から該内側面とは反対の外側面まで貫通孔を有するスパークプラグにおいて、
   前記貫通孔は、前記接地電極の長手方向に延びる一対の長手面と、該長手面を繋ぐ一対の連結面により形成され、且つ一対の長手面により該貫通孔が前記外側面から前記内側面に向かって縮径しており、
   前記放電ギャップを通り前記軸方向と鉛直な断面にて切断した第１切断面を見たときに、該第１切断面には前記長手面が切断された一対の長手線が形成され、
   前記第１切断面に前記中心電極の前記先端面を投影したとき、該長手線を延ばした２本の延長線が、該２つの延長線の交点よりも前記接地電極の前記一端部側にて前記中心電極の前記先端面の投影面とそれぞれ交差する
   ことを特徴とするスパークプラグ。
2. 請求項１のスパークプラグにおいて、
   前記放電ギャップの中心を通り前記接地電極の重心を含む断面にて切断した第２切断面を見たとき、該第２切断面に前記連結面が切断された一対の連結線が形成され、
   一対の前記連結線は、前記接地電極の前記一端部側に位置する第１連結線と、前記接地電極の前記他端部側に位置する第２連結線とからなり、
   前記第２切断面を見たときに、前記第１連結線を延ばした第３延長線が、前記中心電極の前記先端面のうちで前記接地電極の前記一端部側に位置する先端面縁よりも先端側に延びることを特徴とするスパークプラグ。
3. 請求項１又は２に記載のスパークプラグにおいて、
   前記連結面は前記接地電極の前記一端部側に位置する第１連結面と、前記接地電極の前記他端部側に位置する第２連結面とからなり、
   前記第１連結面は、前記絶縁体の先端面よりも先端側に形成されていることを特徴とするスパークプラグ。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のスパークプラグにおいて、
   前記接地電極の前記外側面における一対の前記長手面の幅方向距離は、前記接地電極の幅方向距離の３／５以下であることを特徴とするスパークプラグ。