JP4480294B2 - スパークプラグの取付構造及びスパークプラグ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダーヘッドに形成されたプラグホールにスパークプラグを組付けるにあたり、プラグホールに対してねじ込む必要がないスパークプラグと、その取付構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関における混合気への着火源として使用されるスパークプラグ１０は、例えば図１０に示すように、軸状の中心電極３と、その周囲を取り囲む絶縁体２と、その絶縁体２を保持する主体金具１とから構成される。主体金具１は、プラグ座面１３が先端側（火花放電ギャップｇの形成される側）に形成されたフランジ部１１と、このプラグ座面１３から軸線Ｏ方向先端に延びる先端部１２とを有する。この先端部１２の先端面には、中心電極３と対応して火花放電ギャップｇを形成する接地電極４が結合され、結合部（接地電極結合部）１７を形成している。さらに、この先端部１２の外周には雄ネジ１２ａが形成されている。また、フランジ部１１の後端側にはカシメ部１６、六角部１５、カシメ溝部１４が形成されており、先端部１２の外周には雄ネジ１２ａが形成されている。
【０００３】
ここで、絶縁体２を詳細にみると、コルゲーション２ｃが形成された頭部２ｂと、最も径大なダイヤ部２ｅと、このダイヤ部２ｅよりも径小の中胴部２ｇと、最も先端に位置する脚長部２ｉとから構成されている。そして、一般に、脚長部２ｉと中胴部２ｇとの接続部分にあたる係止面２ｈは、主体金具１の内周面に内向きに突出した金具側係合部１８（詳細には絶縁体を係止する面）に、パッキン５１を介して係止される。この絶縁体２の係止面２ｈは、金具側係合部１８とパッキン５１を介して密着し、絶縁体２と主体金具１との間の気密を保つとともに、中心電極３及び絶縁体２の脚長部２ｉに流入する熱を、絶縁体２、パッキン５１、金具側係合部１８、先端部１２（雄ネジ１２ａ）を通じて、次述するシリンダーヘッドに放散する主要な経路の一部となる。
【０００４】
そして、このようなスパークプラグ１０は、内燃機関のシリンダーヘッドに取付けられて使用に供されることになる。スパークプラグ１０をシリンダーヘッドに取付けるに際しては、シリンダーヘッドに形成されたプラグホールにスパークプラグ１０を挿入し、主体金具１の六角部１５にプラグレンチをあてがい、所定のトルクにて、プラグホールに形成された雌ネジに対し主体金具１の先端部１２に形成された雄ネジ１２ａをねじ込むことで取付けが行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、スパークプラグ１０を雌ネジが形成されたプラグホールの中心軸に沿って、その周りに正確に回転させた際には、両者は問題なく締結される。しかし、スパークプラグ１０がプラグホールの中心軸から傾いた状態で、スパークプラグ１０を回転されると、雄ネジ１２ａと雌ネジとが正しく噛み合わずにいわゆるカジリ状態となる。そのために、雄ネジ１２ａまたは雌ネジが損傷し、極端な場合には燃焼室内からの燃焼ガスの吹き抜けを招き、主体金具１の先端部１２や中心電極３等が高温になり、プレイグニッション（過早点火）を生じたり、電極の溶損を生じたりするおそれがある。
【０００６】
そこで、主体金具１の先端部１２に雄ネジ１２ａを形成せず、さらにプラグホールに雌ネジを形成せずに、プラグホールに対してスパークプラグ１０（先端部１２）を遊嵌状に挿入可能とし、別途プラグ固定具等でスパークプラグ１０をシリンダーヘッドに固定することが考えられる。但し、従来では、絶縁体２や中心電極３、接地電極４から主体金具１に流入する熱は、その先端部１２の雄ネジ１２ａから、雌ねじを通じてシリンダーヘッドに放散できていた。しかしながら、先端部１２に雄ネジ１２ａを有さない構成では、先端部１２とプラグホール内壁面との間に隙間（クリアランス）が生ずるために、熱の移動が困難となりがちである。そのために、中心電極３の温度が上昇し易く、プレイグニッションを生じたり、電極の溶損を招いたりするおそれがある。
【０００７】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、シリンダーヘッドに形成されたプラグホールに取付け容易で、しかも熱引きが良好で耐熱性の良好なスパークプラグ、及びスパークプラグとプラグホールとの取付構造を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段、及び発明の効果】
上記課題を解決するための本発明のスパークプラグの取付構造は、軸線方向に延びる中心電極と、中心電極を自身の先端側に配置して径方向周囲を取り囲む絶縁体と、絶縁体の径方向周囲を取り囲んで当該絶縁体を保持するとともに、先端側にプラグ座面を備えるフランジ部とこのフランジ部のプラグ座面から軸線方向先端側に延びる先端部とを有する主体金具とを備えるスパークプラグと、シリンダーヘッドに形成されるプラグホールとの取付構造であって、
主体金具の先端部は、プラグ取付用雄ネジを有することなく外周面略円筒状に形成されている一方、プラグホールは、この主体金具のフランジ部及び先端部にそれぞれ対応するフランジ対応部及び先端対応部を備えており、主体金具の先端部の外径をφｄ（単位：ｍｍ）、プラグホールの先端対応部の孔径をφＤ（単位：ｍｍ）としたときに、φＤ−φｄ≦０．１５の関係を満足することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のスパークプラグは、軸線方向に延びる中心電極と、中心電極を自身の先端側に配置して径方向周囲を取り囲む絶縁体と、絶縁体の径方向周囲を取り囲むとともに、先端側にプラグ座面を備えるフランジ部とこのフランジ部のプラグ座面から軸線方向先端側に延びる先端部とを有する主体金具とを備え、シリンダーヘッドに形成されるプラグホールに取付けられるスパークプラグであって、
主体金具の先端部は、プラグ取付用雄ネジを有することなく外周面略円筒状に形成されている一方、プラグホールは、この主体金具のフランジ部及び先端部にそれぞれ対応するフランジ対応部及び先端対応部を備えており、主体金具の先端部の外径をφｄ（単位：ｍｍ）、プラグホールの先端対応部の孔径をφＤ（単位：ｍｍ）としたときに、φＤ−φｄ≦０．１５の関係を満足することを特徴とする。
【００１０】
本発明のかかる構成によれば、スパークプラグを構成する主体金具の先端部が、外周にプラグ取付用雄ネジを有することなく略円筒状に形成される一方、プラグホールが、この主体金具のフランジ部及び先端部の外周形状にそれぞれ対応する形状をなすフランジ対応部及び先端対応部を有している。これにより、スパークプラグの取付け時には、プラグホールに遊嵌状に挿入するだけでよく、プラグレンチ等を用いたネジ締め作業が不要となる。とりわけ、近年のＤＯＨＣエンジン等では、大面積の吸気・排気バルブを備えることが多くプラグホールが奥深く設計されるが、このようなエンジンのプラグホールにも、スパークプラグを遊嵌状に挿入するだけで取付け可能となる。従って、スパークプラグの取付け自体が容易になり、主体金具の雄ネジがプラグホールの雌ネジと噛み合わないにも拘わらず、回転させることにより発生するネジ部の損傷の心配もない。
【００１１】
ところで、主体金具の先端部を外周面略円筒形状としたために、従来であれば先端部に形成される雄ネジからシリンダーヘッド（プラグホール内壁面）に逃がすことのできた熱が、放散されにくくなる。つまり、主体金具の先端部の外径をφｄ（単位：ｍｍ）、プラグホールの先端対応部の孔径をφＤ（単位：ｍｍ）としたときに、クリアランス量（φＤ−φｄ）が極僅かな場合には、主体金具に流入される熱をプラグホール内壁面に放散することができるものの、このクリアランス量（φＤ−φｄ）が比較的大きい場合には、熱の放散経路が不十分となるのである。
【００１２】
つまり、クリアランス量（φＤ−φｄ）の大きさによっては、主体金具の先端部とプラグホール内壁面（プラグホールの先端対応部）との間の隙間に比較的大きな空気層（空気により形成される層）が介在することになる。そして、この空気層が、燃焼ガス等により高温下に曝された際に断熱層として機能してしまい、主体金具の先端部等に流入する熱をプラグホール内壁面に放散することを妨げてしまうのである。そのために、絶縁体や中心電極、接地電極が高温になりがちで、プレイグニッションや電極の溶損が発生し易くなる。
【００１３】
これに対し、本発明のスパークプラグでは、上記クリアランス量（φＤ−φｄ）が、φＤ−φｄ≦０．１５ｍｍの関係を満たすように設定されている点が注目すべき点である。このクリアランス量（φＤ−φｄ）を上記範囲を満たす取付構造とした場合には、絶縁体や中心電極、接地電極から主体金具に流入される熱を、主体金具の先端部を通じて、シリンダーヘッドに速やかに放散することができるようになる。その結果、中心電極や絶縁体、接地電極の温度が低く保たれることになり、先端部に雄ネジを形成したものと同等またはそれ以上の耐熱性が得られ、プレイグニッションや電極溶損のおそれのないスパークプラグ、及びその取付構造とすることができる。なお、上記クリアランス量（φＤ−φｄ）の範囲は、スパークプラグのシリンダーヘッドへの挿入容易性をも考慮して０．０５ｍｍ≦φＤ−φｄ≦０．１５ｍｍが好ましく、上記挿入容易性と耐熱性を良好に得る点を考慮すると０．０５ｍｍ≦φＤ−φｄ≦０．１０ｍｍの関係を満たすことがより好ましい。
【００１４】
上記クリアランス量（φＤ−φｄ）が０．１５ｍｍ以下であるときに、スパークプラグの耐熱性が良好に得られる理由としては、上記空気層自体の介在する量が極僅かとなり、この空気層による断熱作用の影響が少なく、空気層を介して先端部からの熱をプラグホール内壁面に有効に放散することができる。また、別の理由として、主体金具は金属材料により構成されるものであるが故に、上記クリアランス量（φＤ−φｄ）が０．１５ｍｍ以下である場合、燃焼ガス等により主体金具（先端部）が高温下に曝されて先端部が熱膨張を起こすことで、プラグホール内壁面にこの先端部が有効に接触するものと推測される。その結果、主体金具の先端部からプラグホール内壁面に対する熱の放散経路が、有効に確保されるものと考えられる。
【００１５】
ところで、中心電極や絶縁体に流入する熱は、その放散経路として、絶縁体を係止するために主体金具の内周面に内向きに突出して形成される金具側係合部（詳細には、金具側係合部の絶縁体を係止する面）を経由することなる。そして、この熱は、金具側係合部から先端部を通ってシリンダーヘッド（プラグホール内面）に放散されるとともに、フランジ部のプラグ座面を通ってシリンダーヘッド（プラグホール内壁面）に放散される。そのことから、中心電極や絶縁体に流入する熱の放散経路としては、主体金具の先端部の他に、プラグ座面も主要な経路となる。
【００１６】
そこで、上記スパークプラグにあっては、プラグ座面の先端側面から金具側係合部の基端側縁まで、軸方向先端に向けて測った距離Ｌ（単位：ｍｍ）が、−６≦Ｌ≦６の関係を満たすとよい。
【００１７】
かかる構成を図ることで、金具側係合部（詳細には金具側係合部の絶縁体を係止する面）に流入する絶縁体や中心電極からの熱が、先端部に流入するとともにプラグ座面に容易に流入することになり、ひいては絶縁体や中心電極に流入する熱を、効率良くプラグ座面及び先端部からシリンダーヘッド（プラグホール内壁面）に放散することができる。その結果、中心電極や絶縁体の温度がより低く保たれることになり、より耐熱性に優れるスパークプラグ及びその取付構造を提供することができる。なお、上記距離Ｌの範囲は、−３≦Ｌ≦３の関係を満たすことが、さらに耐熱性を優れたものとする上で好ましい。
【００１８】
ここで、距離Ｌ測定の基準となる金具側係合部の基端側縁は、金具側係合部のうち、絶縁体を係止する面が軸に対して傾斜した面、即ちテーパ面である場合には、そのうちの最も基端側の縁を指す。一方、金具側係合部のうち、絶縁体を係止する面が軸に対して垂直な面、即ちフラット面である場合には、基端側縁の軸方向位置は、絶縁体を係止する面の軸方向位置に一致する。また、同様に、プラグ座面の先端側縁は、プラグ座面が軸に対して傾斜した面、即ちテーパ面である場合には、そのうちの最も先端側の縁を指すものとする。一方、プラグ座面が軸に対して垂直な面、即ちフラット面である場合には、そのうちの先端側縁の軸方向位置は、プラグ座面の軸方向位置に一致する。
【００１９】
さらに、本発明のスパークプラグでは、一端が主体金具に結合されて接地電極結合部を形成し、他端が火花放電ギャップを隔てて中心電極と対向するように配置される１または複数の接地電極を備えており、主体金具のフランジ部及び先端部の少なくともいずれかが、スパークプラグをプラグホールに挿入しつつ軸線方向を中心に回転させたときに、プラグホールのうちフランジ対応部及び先端対応部の少なくともいずれかと、１または複数箇所にて互いに嵌合する嵌合位置制限形状とされている一方、１または複数の接地電極結合部の形成位置と、嵌合位置制限形状とされたフランジ部及び先端部の少なくともいずれかとの関係が、同一品番のスパークプラグを見たときにいずれも略同一とされているとよい。
【００２０】
かかる構成によれば、主体金具のフランジ部及び先端部の少なくともいずれかが、プラグホール（プラグホールのフランジ対応部及び先端対応部の少なくともいずれか）に対する嵌合位置制限形状とされ、しかも、１または複数の接地電極結合部の形成位置と、嵌合位置制限形状とされたフランジ部または先端部との関係が略同一とされている点が注目すべき点である。このようにしたものでは、プラグホールにスパークプラグを遊嵌状に挿入しつつ嵌合させることで、接地電極結合部の位置が、プラグホール自身の軸線を中心とした周方向の特定位置に制限されることになる。つまり、スパークプラグをプラグホールに挿入するだけで、スパークプラグの接地電極を容易にかつ確実に燃焼室内の特定位置に設定することができるのである。
【００２１】
通常、燃焼室内にて圧縮行程時に発生するスワールの流れを接地電極が妨げないように、スワールの流れ方向と接地電極結合部の形成位置との最適な位置関係を有することが知られている。そこで、スワールの流れ方向と接地電極結合部との位置関係を予め考慮して、接地電極結合部の形成位置と、嵌合位置制限形状とされるフランジ部または先端部との関係を制限することで、スワールの流れ方向と接地電極結合部の形成位置との関係を各気筒や各内燃機関につき常に一定に制限することができる。その結果、気筒や内燃機関毎に着火性がばらつかず、かつ良好な着火性が得られ、内燃機関を均一の空燃比（Ａ／Ｆ）で駆動することができ、ひいては希薄空燃比で駆動することができる。
【００２２】
ここで、嵌合位置制限形状は、主体金具のフランジ部または先端部をプラグホールのフランジ対応部または先端対応部に対応して配置させるにあたって、スパークプラグをプラグホールに対して挿入しつつ軸線方向を中心として回転させたとき、１または複数箇所にて互いに嵌合するものであればいずれの形状であってもよい。具体的に例示すると、プラグホールに軸線方向に延びるキー溝を形成し、先端部等にキー溝に嵌まるキー突起（条でも、突起でもよい）を設けたもの、或いは逆に、プラグホールにキー突起、主体金具側にキー溝を設けたもの、また主体金具のフランジ部等に面取りを施し、プラグホールをこの面取りに適合した形状としたもの、さらには本体部及びプラグホールのフランジ対応部の断面形状をそれぞれ卵形状、堕円形状、多角形状等としたものが挙げられる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１及び図２は、本実施形態にかかるスパークプラグ１００の部分破断断面図、および内部構造を示す断面図である。このスパークプラグ１００は、接地電極４が１つのみ形成されたいわゆる一極タイプで、主体金具１のフランジ部１１と先端部１２との間に設けられた平面を構成するプラグ座面１３によってシールを行うフラットシートタイプのものである。なお、プラグ座面１３には、環状のガスケットＧが装着されている。
【００２４】
このスパークプラグ１００は、軸線Ｏ方向に延びる中心電極３と、この周囲を取り囲む絶縁体２と、その絶縁体２を保持する主体金具１とから構成される。この主体金具１は炭素鋼からなり、プラグ座面１３が先端側に形成されたフランジ部１１と、このプラグ座面１３から軸線Ｏ方向先端側に延びる先端部１２とを有する。この先端部１２は、従来からのスパークプラグ（図１０参照）とは異なり、外周にはプラグ取付用雄ネジを有しておらず、円筒状にされている。この先端部１２の先端面には、接地電極４の一端が結合されて接地電極結合部１７を形成している。そして、この接地電極４の他端は、中心電極３の先端面に向かって延設し、火花放電ギャップｇを隔てて中心電極３と対向している。また、フランジ部１１の後端側（基端側）には、フランジ部１１から後端側に向かう順にカシメ溝部１４、六角部１５、カシメ部１６が形成されている。なお、本明細書では、軸線線Ｏ方向において、火花放電ギャップｇの形成される側を前方側（先端側）、これと反対側を後方側（基端側）として説明することにする。
【００２５】
絶縁体２には、軸線Ｏ方向に貫通孔６が形成されている。そして、絶縁体２の貫通孔６の後方側に端子電極５が挿入・固定され、絶縁体２の貫通孔６の前方側に中心電極３が挿入・固定されている。また、この貫通孔６において端子電極５と中心電極３との間には、セラミック抵抗体７（ガラス粉末と導電材料粉末との混合物を、ホットプレス等により焼結した抵抗体組成物）が配置されている。このセラミック抵抗体７の両端部は、導電性ガラスシール層８、９を介して端子電極５と中心電極３にそれぞれ電気的に接続されている。なお、セラミック抵抗体７を省略し、一層の導電性ガラスシール層により中心電極３と端子電極５とを直接接合させる構成としてもよい。
【００２６】
また、絶縁体２は、図２に詳細に示すように、軸線Ｏ方向の略中間部に、周方向外向きに突出するダイヤ部２ｅが形成されている。そして、絶縁体２には、ダイヤ部２ｅよりも後方側がこれよりも小径に形成された頭部２ｂとされている。一方、ダイヤ部２ｅの前方側には、これよりも小径の中胴部２ｇと、その中胴部２ｇよりも小径の脚長部２ｉが隣接して形成されている。なお、頭部２ｂの外面には釉薬層２ｄが形成され、頭部２ｂの後方側の外周にはコルゲーション２ｃが形成されている。また、絶縁体２の軸線Ｏ方向において最も前方側に位置する脚長部２ｉの外面は、先端に向かうほど縮径する略円錐状とされている。
【００２７】
ついで、絶縁体２の貫通孔６は、略円筒状の第一部分６ａと、その第一部分６ａの後方側においてこれよりも大径に形成される略円筒状の第二部分６ｂとを有している。端子電極５とセラミック抵抗体７はこの第二部分６ｂ内に収容され、中心電極３は第一部分６ａ内に挿通される。中心電極３の基端部には、その外周面から外向きに突出して凸状部３ａが形成されている。そして、この貫通孔６の第一部分６ａと第二部分６ｂとは、中胴部２ｇ内において互いに接続し、その接続位置には中心電極３の凸状部３ａを受けるための凸状部受け面６ｃがテーパ面、或いはＲ面状に形成されている。
【００２８】
また、中胴部２ｇと脚長部２ｉとの接続部分は段付とされて係止面２ｈを形成し、この係止面２ｈは主体金具１の内周面に内向きに突出して形成された金具側係合部１８（詳細には金具側係合部のうちの絶縁体を係止する面）に対し、環状の板パッキン５１を介して係合することで、絶縁体２の軸線Ｏ方向先端側への抜き止めがなされている。他方、主体金具１の内周面後方側と絶縁体２の外周面との間には、ダイヤ部２ｅと係合する環状の線パッキン２２、滑石２３等が配置されている。そして、絶縁体２を主体金具１に向けて前方側に押し込み、その状態でカシメ用金型を用いて主体金具１の基端側縁を絶縁体２の外面に向けて内側にかしめることでカシメ部１６を形成し、絶縁体２を主体金具１に対して保持させる。
【００２９】
ここで、この金具側係合部１８は、中心電極３及び絶縁体２（脚長部２ｉ）に流入した熱を、パッキン５１、絶縁体係止面２ｈを通じて、主体金具１の先端部１２及びプラグ座面１３に、ひいては後述するシリンダーヘッドＳＨに放散する熱放散の主要な経路の一部となる。ところで、図２の吹出し図に示すように、プラグ座面１３の先端側縁から金具側係合部１８の基端側縁まで、軸線Ｏ方向先端側に向けて測った距離Ｌ（単位：ｍｍ）は、中心電極３や絶縁体２に流入する熱の放散度合に関係してくる（なお、図２の吹出し図では、ガスケットＧを省略して記載している）。これに対し、本実施形態ではこの距離Ｌは、−６≦Ｌ≦６の関係を満足するように設定されている（例えば、Ｌ＝０．５ｍｍ）。なお、上記距離Ｌを変化させることによるスパークプラグの耐熱性の変化についての測定結果は後述する。
【００３０】
さらに、主体金具１における先端部１２外周面のうちの一箇所には、キー突起１９が突出して形成されている。そして、この先端部１２のキー突起１９は、後述するように、シリンダーヘッドＳＨに形成されたプラグホールＰにおいてこのキー突起１９に適合する凹状のキー溝３９を一箇所に設けた先端対応部３６と、互いに嵌合するようになっている。
【００３１】
ついで、本実施形態にかかるシリンダーヘッドＳＨについて、図３を参照しつつ説明する。シリンダーヘッドＳＨのヘッド本体３１は、ヘッド上面３２及び燃焼室面３３の間を貫通するプラグホールＰを備え、さらにこの周囲のヘッド上面３２に、後述するプラグ固定具４１をネジ止めするためのネジ孔３２ａ〜３２ｄが形成されている。上記プラグホールＰは、上記スパークプラグ１００が完全に挿入される深さとされ、ヘッド上面３２から、順に径小となる三段の丸孔から構成されている。
【００３２】
このうち、ヘッド上面３２側の挿入部３４は、ヘッド上面３２から燃焼室面３３の近くにまで達する丸孔であり、上記スパークプラグ１００の主体金具１のうち最も径大なフランジ部１１よりも径大とされていることから、スパークプラグ１００が遊嵌状に挿入できるようになっている。そして、燃焼室面３３側の先端対応部３６は、スパークプラグ１００を挿入したときに、主体金具１における先端部１２が遊嵌状に挿入される部分である。また、挿入部３４と先端対応部３６との間にはフランジ対応部３５が位置し、スパークプラグ１００を挿入したときに、主体間具１におけるフランジ部１１が遊嵌状に挿入される部分を構成する。なお、フランジ対応部３５と先端対応部３６の境界部にあたるシール面３７は、スパークプラグ１００に装着されるガスケットＧが当接してシールを行う面となる。さらに、この先端側対応部３６には、図３（ａ）から判るように、上記スパークプラグ１００のキー突起１９に適合する幅及び深さで、キー溝３９が形成されている。また、シリンダーヘッドＳＨには、冷却水を流通させるための流通孔３８が形成されている。
【００３３】
なお、本実施形態では、プラグホールＰのキー溝３９と、スパークプラグ１００を構成する主体金具１のキー突起１９とが、接地電極結合部１７の形成位置を考慮した上で、それぞれ特定の位置関係を持って形成されている。ところで、燃焼室内にて圧縮行程時に発生するスワールの流れ方向と、接地電極４の燃焼室における配置位置との関係により、混合気への着火のし易さが異なることが知られている。即ち、火花放電ギャップｇにスワールが流れ込むのを接地電極４が遮る場合には、火花放電ギャップｇにスワールが流れ込みにくくなるために、相対的にリッチな混合気でしか着火しなくなる傾向にある。
【００３４】
これに対し、本実施形態では、スパークプラグ１００をプラグホールＰに取り付けた際に、スワールの流れ方向と接地電極４の燃焼室内における配置位置とが最適な位置関係を満たすべく、接地電極結合部１７の形成位置と先端部１２のキー突起１９の形成位置とが、さらにはそのキー突起１９の形成位置と先端対応部３６のキー溝３９の形成位置とが、特定の位置関係を有するように形成されている。なお、ここでいうスワールの流れ方向と接地電極４の燃焼室内における配置位置との最適な位置関係とは、１極タイプのスパークプラグ１００において、スワールの流れ方向の上流側ないし下流側に接地電極４を配置させず、図１１に示すように、スパークプラグ１００の軸線Ｏ方向先端側からみたときに、先端部１２の中心Ｃを通るスワールＭの流線Ｌｍと、先端部１２の外周面との交点のうち、上流側の交点Ｓを基準として、接地電極結合部１７の周方向位置がθ＝９０°の角度を有する関係をいう。
【００３５】
ついで、本実施形態にかかるプラグ固定具４１について、図４を援用して説明する。プラグ固定具４１は、金属（アルミニウム等）製で自身をシリンダーヘッドＳＨに固定するための突出部４２と、略円筒形状の筒状部４３とからなる。突出部４２には、図示しないがシリンダーヘッドＳＨのネジ孔３２ａ〜３２ｄにそれぞれ対応した位置に、取付孔が複数形成されている。また、筒状部４３は、その外周面がシリンダーヘッドＳＨの挿入部３４よりもやや径小とされ、しかもその先端の先端面４３ａが、後述するように、スパークプラグ１００を構成する主体金具１のフランジ部１１の基端面を押圧可能とすべく、その内周面が六角部１５よりも径大とされている。
【００３６】
そして、図４に示すように、この筒状部４３の内部には、コイルコア４４と、一次巻線Ｌ１及び二次巻線Ｌ２と、二次巻線Ｌ２にて発生する放電用高電圧をスパークプラグ１００の端子電極５に供給するための接続端子４５とからなる点火コイル部５０が収容されている。なお、コイルコア４４の周囲には、二次巻線Ｌ２が巻かれた二次ボビンが配置され、更に二次ボビンの周囲に一次巻線Ｌ１が巻かれた一次ボビンが配置されている。また、筒状部４３の内部には、耐熱性ゴムからなり、スパークプラグ１００を構成する絶縁体２の頭部２ｂと接触する絶縁性保持部材４６が、接続端子の周りを覆うようにして設けられている。さらに、二次巻線Ｌ２の一端と電気的に接続されているバネ状の接続端子４５は、端子電極５に対して軸線Ｏ方向に圧縮された形態で接触することによって、両者の電気的な接続が図られることになる（図４参照）。このとき、絶縁性保持部材４７は絶縁体２の頭部２ｂに接触し、点火コイル部５０とスパークプラグ１００との間の絶縁性を確保する機能を果たす。
【００３７】
このように、本実施形態のプラグ固定具４１は、点火コイル部５０を内蔵しており、後述するようにプラグ固定具４１によって、スパークプラグ１００をプラグホールＰに固定すると同時に、点火コイル部５０をもプラグホールＰ内に配置させることができ、しかもスパークプラグ１００と点火コイル部５０との接続も完了させることができる。また、このようなプラグ固定具４１を用いた場合には、スパークプラグ１００と点火コイル部５０とが直接接続されることになるので、両者を接続するためのハイテンションケーブル等が不要となり、ノイズの発生を低減させることができる。なお、このプラグ固定具４１には、内部に点火コイル部５０を有する関係上、電源装置やＥＣＵ等の外部機器と接続するためのコネクタ部４７、及び点火ユニット４８が備えられている。この点火ユニット４８には、一次巻線Ｌ１に電源装置から供給される電流（一次電流）を、ＥＣＵから出力される点火指令信号に基づいて通電・遮断するためのスイッチング素子（図示しない）等が内蔵されている。なお、この点火ユニット４８はコネクタ部４７に電気的に接続されるとともに、点火コイル部５０に電気的に接続されている。
【００３８】
ついで、シリンダーヘッドＳＨにスパークプラグ１００及びプラグ固定具４１を取り付ける。まず、図４に示すように、シリンダーヘッドＳＨのプラグホールＰ内に、スパークプラグ１００を遊嵌状に挿入する。このとき、スパークプラグ１００を軸線Ｏ方向を中心に回転させつつ挿入すると、主体金具１の先端部１２に形成されるキー突起１９が、プラグホールＰの先端側対応部３６に形成されたキー溝３９に嵌まり、スパークプラグ１００がプラグホールＰに装着されることになる。即ち、キー突起１９とキー溝３９によって、主体金具１の先端部１２とプラグホールＰの先端対応部３６とが互いに嵌合することになる。これにより、ガスケットＧがシール面３７に当接する。
【００３９】
さらに、上述したプラグ固定具４１を用いて、スパークプラグ１００をシリンダーヘッドＳＨに固定する。まず、図４に示すように、プラグ固定具４１の筒状部４３をプラグホールＰに挿入する。筒状部４３の外周面は、挿入部３４よりやや径小とされているので遊嵌状に挿入でき、筒状部４３の先端面４３ａが、スパークプラグ１００を構成する主体金具１のフランジ部１１のプラグ座面１３とは反対側に位置する後端面に当接する。このとき、筒状部４３の内部では、接続端子４５が、スパークプラグ１００の端子電極５に圧接状態にて接触する。
【００４０】
ついで、図４及び図５に示すように、プラグ固定具４１の突出部４２の向きを合わせて、複数の取付孔がネジ孔３２ａ〜３２ｄに適合するようにし、ボルト４９ａ〜４９ｄを用いてプラグ固定具４１をシリンダーヘッドＳＨのヘッド上面３２にネジ止めする。これにより、主体金具１のフランジ部１１の後端面に当接する筒状部４３に軸線Ｏ方向先端側に向けての付勢力が発生して、フランジ部１１のプラグ座面１３がシリンダーヘッドＳＨに対して付勢されることになり、プラグ座面１３とシール面３７との間のシールをガスケットＧを介して行うことができる。そして、このプラグ固定具４１のシリンダーヘッドＳＨへの固定により、プラグ取付用雄ねじが形成されていない主体金具１にて構成されるスパークプラグ１００がシリンダーヘッドＳＨに固定されることになる。なお、適当な圧力で押圧できるように、スパークプラグ１００やプラグホールＰの寸法を考慮して、筒状部４３の長さ（高さ）を適宜調整しておくとよい。
【００４１】
このようにしてスパークプラグ１００は、シリンダーヘッドＳＨ（プラグホールＰ）に取り付けられる訳だが、本実施形態ではその取付構造において、図４に示すように、主体金具１の先端部１２の外径をφｄ（単位：ｍｍ）、プラグホールＰの先端対応部３６の孔径をφＤ（単位：ｍｍ）としたときに、クリアランス量（φＤ−φｄ）は、φＤ−φｄ≦０．１５の関係を満たすようにされている。プラグホールＰの先端対応部３６の孔径φＤは、シリンダーヘッドＳＨ設計毎に種々のサイズのものがあり、いずれのプラグホールＰに対しても、上記範囲（関係）を満たすように先端部１２の外径φｄが定められるのである。なお、本実施形態においては、例えばφＤ＝１３．７０ｍｍ、φｄ＝１３．６０ｍｍであって、φＤ−φｄ＝０．１０ｍｍとされている。
【００４２】
このように、クリアランス量（φＤ−φｄ）を０．１５ｍｍ以下とすることにより、絶縁体２や中心電極３、接地電極４から主体金具１の先端部１２に流入される熱を、シリンダーヘッドＳＨに速やかに放散することができるようになる。その結果、中心電極３や絶縁体２、接地電極４の温度が低く保たれることになり、先端部１２に雄ネジを形成したものと同等またはそれ以上の耐熱性が得られ、スパークプラグ１００はプレイグニッションや電極溶損のおそれのないものとなる。なお、上記クリアランス量（φＤ−φｄ）を変化させることによるスパークプラグの耐熱性の変化についての測定結果は後述する。
【００４３】
さらに、上述のようにしてシリンダーヘッドＳＨにスパークプラグ１００を取り付けた状態において、スワールの流れ方向と接地電極４との関係についてみてみる。ここで、本実施形態では、スパークプラグ１００をシリンダーヘッドＳＨに取り付けた際に、上述したようにスワールの流れ方向と接地電極結合部１７とが最適な位置関係を満たすべく、接地電極結合部１７の形成位置、キー突起１９及びキー溝３９の形成位置のそれぞれが所定の位置関係を有するようになっている。したがって、スパークプラグ１００をシリンダーヘッドＳＨに取り付けたときには、接地電極結合部１７の位置は常に特定位置に制限されることになる。したがって、接地電極４の燃焼室内における配置位置は、スワールの流れを妨げない位置に設定されることになることから、火花放電ギャップｇにて発生する火花放電にて確実に混合気を着火させることができる。さらに、同一品番のスパークプラグ及びシリンダーヘッドの任意の組み合わせにより、常に希薄空燃比で内燃機関を駆動することができ、燃費を向上させることも可能となる。
【００４４】
以上、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。例えば、上記実施形態では、スパークプラグ１００として接地電極４が一つのみ主体金具に結合された一極タイプのものを用いたが、接地電極４が複数主体金具１に結合された多極タイプであってもよい。また、主体金具１の形成材料としては炭素鋼を用いたが、絶縁体２や中心電極３、接地電極４から流入する熱の放散性を高めるべく、炭素鋼よりも熱伝導性に優れる銅合金やアルミニウム合金により主体金具１を形成してもよい。
【００４５】
さらに、上記実施形態では、図６（ａ）に示すように、スパークプラグ１００を構成する主体金具１の先端部１２に凸状のキー突起１９を形成し、プラグホールＰの先端対応部３６に凹状のキー溝３９を形成した上で、両者を一箇所のみで嵌合させるようにしていたが、このような嵌合位置制限形状は他の形状であってもよい。例えば、図６（ｂ）に示すものは、（ａ）とは逆に、主体金具１の先端部１２に凹状のキー溝１９ａを設け、プラグホールＰの先端対応部３６に凸状のキー突起３９ａを設けた上で、両者を嵌合させるようにしたものである。
【００４６】
また、図７（ａ）に示すものは、主体金具１におけるフランジ部１１の外周側面の一部を面取りして平坦面１９ｂを設け、プラグホールＰのフランジ対応部１１にもこの平坦面１９ａの形状に対応した平坦面３９ｂを設けた上で、両者を嵌合させるようにしたものである。また、図７（ｂ）に示すものは、フランジ部１１を円形ではなく、破線で示す円形より膨らむ拡径部１９ｃを設けた断面略卵形状とし、プラグホールＰのフランジ対応部３５もこれに合わせた拡径部３９ｃを設けて、両者を嵌合させるようにしたものである。
【００４７】
そして、このような形状のいずれの場合でも、主体金具１の先端部１２とプラグホールＰの先端対応部３６、もしくは主体金具１のフランジ部１１とプラグホールＰのフランジ対応部３５とが嵌合する位置は、１箇所に限定される。従って、これらの嵌合位置制限形状とスパークプラグ１００における接地電極結合部１７との位置関係を、スワールの流れ方向を考慮して制限すれば、プラグホールＰに対してスパークプラグ１００を遊嵌状に挿入して嵌合することで、燃焼室内における接地電極４の配置位置を常に特定なものとすることができる。
【００４８】
また、上記実施形態では、図４に示すように、プラグ固定具４１の筒状部４３の先端面４３ａを主体金具１のフランジ部１１の後端面に当接させるとともに、その後端面に対してプラグ固定具４１の固定により生ずる付勢力を及ばせ、プラグ座面１３をシリンダーヘッドＳＨに対して付勢させる構造であったが、図１２に示すように、筒状部４３の先端部４３ｃを、主体金具１のカシメ部１６に当接可能な形状としつつ、そのプラグ固定具４１を用いてスパークプラグ１００をシリンダーヘッドＳＨに固定する構造としてもよい。なお、この構造においても、プラグ固定具４１の筒状部４３の先端部４３ｃを主体金具１のカシメ部１６に当接させるとともに、プラグ固定具４１のシリンダーヘッドＳＨへの固定により生ずる軸線Ｏ方向先端側への付勢力を主体金具１のカシメ部１６に及ばせ、プラグ座面１３をシリンダーヘッドＳＨに付勢させるようにしている。
【００４９】
さらに、上記実施形態のスパークプラグ１００の構造に加えて、図１２を援用して示すように、主体金具１のフランジ部１１の外周側面に有底状の凹部（図示せず）を周方向にわたって設け、その凹部に弾性変形可能な環状の弾性材６１（ゴム等）を嵌め込んで構成してもよい。このようなスパークプラグ１００では、シリンダーヘッドＳＨに取り付けた後において、フランジ部１１とプラグホールＰ内壁（フランジ対応部３５）との間が弾性材６１によって確実にシールされるので、スパークプラグ１００とシリンダーヘッドＳＨとの間の気密性がより向上することになる。
【００５０】
（実施例１）
本発明の効果を確認するために、図１（または図４）に示す主体金具１の先端部１２の外径φｄを変化させるとともに、プラグホールＰの先端対応部３６の孔径φＤは一定（１３．７ｍｍ）とし、クリアランス量（φＤ−φｄ）の値を変化させることで、スパークプラグ１００の耐熱性を評価した。なお、スパークプラグ１００においては、先端部１２の軸Ｏ方向長さＴ１＝１５．０ｍｍ、先端部１２の内径φｄ１＝８．４ｍｍ、金具係合部１８の最小内径φｄ２＝７．５ｍｍに、それぞれ寸法設定して評価を行った（図１参照）。また、プラグ座面１３の先端側縁から金具側係合部１８の基端側縁までの軸Ｏ方向先端に向けて測った距離Ｌ（図２参照）については、０ｍｍに寸法設定した。さらに、本評価にあたり、絶縁体２の脚長部２ｉの軸Ｏ方向の距離Ｔ２を、Ｔ２＝１４ｍｍ（脚長部２ｉの先端外径φｄ３＝５．１ｍｍ）のものと、Ｔ２＝１７ｍｍ（脚長部２ｉの先端外径φｄ３＝５．１ｍｍ）のものそれぞれについて行った（図１参照）。
【００５１】
ここで、スパークプラグ１００の耐熱性の評価は、以下の方法により行った。図８に示すように、点火コイル部５０及び突出部４２の中央を除去したプラグ固定具４１によって、スパークプラグ１００をシリンダーヘッドＳＨに固定することで行った。このプラグ固定具４１は、突出部４２に筒状部４３の内周面に連なる貫通孔４３ｂを形成したものでスパークプラグ１００を固定し、ケーブル５１に接続された接続端子４５を内部に有する絶縁性保持部材４６を、この貫通孔４３ｂから挿入して、接続端子４５とスパークプラグ１００の端子電極５とを圧接状態にて接触させる。このケーブル５１は、高耐圧のダイオード５２を介して、図示しない点火回路に接続するとともに、高耐圧のダイオード５３を通じて、図示しないプレイグニッションテスタに接続している。
【００５２】
このプレイグニッションテスタは、いわゆるイオン電流を計測するものである。即ち、プレイグニッションが発生した場合に、火花放電ギャップｇが火炎に包まれると、火炎中のイオンによって、火花放電ギャップ間が導通状態となる。従って、火花放電ギャップ間に予め数１００Ｖの電圧をかけておくと、プレイグニッションが発生した場合に、イオン電流が流れる。そこで、点火回路で放電させる前に、イオン電流を検出した場合には、プレイグニッションが発生したことが判別できる。
【００５３】
そして、上述のようにスパークプラグ１００をシリンダーヘッドＳＨに固定した上で、内燃機関を駆動（１６００ｃｃ、直列４気筒、スロットル全開状態）し、正規の点火時期より１度ずつ順に過進角を変化させて、２分間保持し、プレイグニッションがその間に発生したか否かを測定し、初めてプレイグニッションが発生した過進角を測定した。各クリアランス量（φＤ−φｄ）と過進角との関係を図９のグラフに示す。
【００５４】
なお、本評価にあたり、主体金具の先端部に雄ネジ（Ｍ１４Ｓ）が形成された従来のスパークプラグ（図１１参照）についても、脚長部の距離Ｔ２＝１４ｍｍ、１７ｍｍの２種類を、それぞれ同様に評価した（なお、プラグ座面の先端側面から金具側係合部の基端側縁までの軸方向先端に向けて測った距離Ｌは０ｍｍとした）。そして、従来のスパークプラグでは、脚長部の距離Ｔ２＝１４ｍｍのものではプレイグニッションが発生した過進角が２０度、脚長部の距離Ｔ２＝１７ｍｍのものでは同過進角が１５度であった。
【００５５】
これに対し、本実施形態のスパークプラグ１００については、図９のグラフに示すように、クリアランス量（φＤ−φｄ）＝０．１５ｍｍでは、脚長部２ｉの距離Ｔ２＝１４ｍｍ、１７ｍｍの２種類ともに、上記従来例と同等の過進角までプレイグニッションを生じないで駆動できることが判った。また、クリアランス量（φＤ−φｄ）＝０．０２ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍでは、脚長部２ｉの距離Ｔ２＝１４ｍｍ、１７ｍｍの２種類ともに、上記従来例以上の過進角までプレイグニッションを生じないで駆動でき、耐熱性が向上することが判った。一方、クリアランス量（φＤ−φｄ）＝０．１５ｍｍを超えるものでは、脚長部２ｉの距離Ｔ２＝１４ｍｍ、１７ｍｍの２種類ともに、上記従来例よりも耐熱性が劣ることが判った。
【００５６】
（実施例２）
実施例１にて用いた本実施形態のスパークプラグ１００のうち、脚長部２ｉの距離Ｔ２＝１７ｍｍで、クリアランス量（φＤ−φｄ）＝０．０５ｍｍのものに限って、プラグ座面１３の先端側縁から金具側係合部１８の基端側縁までの軸Ｏ方向先端に向けて測った距離Ｌを−６．５ｍｍ、−３．０ｍｍ、±０ｍｍ（実施例１のものに相当）、３．０ｍｍ、６．０ｍｍの５種類に変化させたものを準備し、実施例１と同様の手法にてスパークプラグ１００の耐熱性を評価した。
【００５７】
上記距離Ｌを５種類に変化させた上記スパークプラグにてプレイグニッションが発生した過進角は、上記距離Ｌが−６．５ｍｍのものでは１６度、−３．０ｍｍのものでは２０度、±０ｍｍのものでは２１度、３．０ｍｍのものでは２０度、６．０ｍｍのものでは１８度となった。これらの結果より、上記距離Ｌが−６ｍｍ≦Ｌ≦６ｍｍの関係を満たす４種類のスパークプラグについては、距離Ｌが−６ｍｍ未満のＬ＝−６．５ｍｍのものよりも優れた耐熱性の向上の効果が得られることが判った。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態にかかるスパークプラグの全体形状を示す部分破断断面図である。
【図２】 実施形態にかかるスパークプラグの内部構造を示す軸方向断面図である。
【図３】 実施形態にかかるシリンダーヘッドのプラグホール近傍の形状を示す平面図及び軸方向断面図である。
【図４】 図１（図２）に示すスパークプラグを、図３に示すシリンダーヘッドのプラグホールに挿入し、嵌合させた状態にあるスパークプラグの取付構造を示す説明図（部分破断断面図）である。
【図５】 図１（図２）に示すスパークプラグを、図３に示すシリンダーヘッドのプラグホールに挿入し、嵌合させた状態を示す平面図である。
【図６】 主体金具の先端部とプラグホールの先端対応部との互いに嵌合する嵌合位置制限形状の例を示す説明図である。
【図７】 主体金具のフランジ部とプラグホールのフランジ対応部との互いに嵌合する嵌合位置制限形状の例を示す説明図である。
【図８】 実施形態にかかるスパークプラグ（スパークプラグの取付構造）のプレイグニッション試験の様子を示す説明図である。
【図９】 図８に示すプレイグニッション試験を、図４に示すスパークプラグの取付構造において、クリアランス量（φＤ−φｄ）を変化させて行った結果を示すグラフである。
【図１０】 従来のスパークプラグの全体形状を示す部分破断断面図である。
【図１１】 スパークプラグの接地電極の配置位置とスワールの流れ方向との関係を説明する説明図である。
【図１２】 図４に示すスパークプラグの取付構造とは異なる別実施形態の取付構造を示す説明図である。
【符号の説明】
１００…スパークプラグ、１…主体金具、１１…フランジ部、１２…先端部、１７…接地電極結合部、１８…金具側係合部、１９…キー突起、２…絶縁体、２ｉ…脚長部、３…中心電極、４…接地電極、５…端子電極、３２…ヘッド上面、３３…燃焼室面、３４…挿入部、３５…フランジ対応部、３６…先端対応部、３９…キー溝、４１…プラグ固定具、４２…突出部、４３…筒状部、４４…コイルコア、４５…接続端子、５０…点火コイル部、ＳＨ…シリンダーヘッド、Ｐ…プラグホール、Ｌ１…一次コイル、Ｌ２…二次コイル、ｇ…火花放電ギャップ

Claims (5)

1. 軸線方向に延びる中心電極と、上記中心電極を自身の先端側に配置して径方向周囲を取り囲む絶縁体と、上記絶縁体の径方向周囲を取り囲んで当該絶縁体を保持するとともに、先端側にプラグ座面を備えるフランジ部とこのフランジ部のプラグ座面から軸線方向先端側に延びる先端部とを有する主体金具とを備えるスパークプラグと、
   シリンダーヘッドに形成されるプラグホールとの取付構造であって、
   上記主体金具の先端部は、プラグ取付用雄ネジを有することなく外周面略円筒状に形成されている一方、
   上記プラグホールは、この主体金具のフランジ部及び先端部にそれぞれ対応するフランジ対応部及び先端対応部を備えており、
   上記主体金具の先端部の外径をφｄ（単位：ｍｍ）、上記プラグホールの先端対応部の孔径をφＤ（単位：ｍｍ）としたときに、
   φＤ−φｄ≦０．１５
   の関係を満足することを特徴とするスパークプラグの取付構造。
2. 上記主体金具の内周面には、上記絶縁体を係止するための金具側係合部が内向きに突出して形成されており、上記プラグ座面の先端側縁から上記金具側係合部の基端側縁まで、軸方向先端に向けて測った距離Ｌ（単位：ｍｍ）が、
   −６≦Ｌ≦６
   の関係を満足することを特徴とする請求項１記載のスパークプラグの取付構造。
3. 軸線方向に延びる中心電極と、上記中心電極を自身の先端側に配置して径方向周囲を取り囲む絶縁体と、上記絶縁体の径方向周囲を取り囲むとともに、先端側にプラグ座面を備えるフランジ部とこのフランジ部のプラグ座面から軸線方向先端側に延びる先端部とを有する主体金具とを備え、シリンダーヘッドに形成されるプラグホールに取付けられるスパークプラグであって、
   上記主体金具の先端部は、プラグ取付用雄ネジを有することなく外周面略円筒状に形成されている一方、上記プラグホールは、この主体金具のフランジ部及び先端部にそれぞれ対応するフランジ対応部及び先端対応部を備えており、
   上記主体金具の先端部の外径をφｄ（単位：ｍｍ）、上記プラグホールの先端対応部の孔径をφＤ（単位：ｍｍ）としたときに、
   φＤ−φｄ≦０．１５
   の関係を満足することを特徴とするスパークプラグ。
4. 上記主体金具の内周面には、上記絶縁体を係止するための金具側係合部が内向きに突出して形成されており、上記プラグ座面の先端側縁から上記金具側係合部の基端側縁まで、軸方向先端に向けて測った距離Ｌ（単位：ｍｍ）が、
   −６≦Ｌ≦６
   の関係を満足することを特徴とする請求項３記載のスパークプラグ。
5. 請求項３または４に記載のスパークプラグであって、
   一端が上記主体金具に結合されて接地電極結合部を形成し、他端が火花放電ギャップを隔てて上記中心電極と対向するように配置される１または複数の接地電極を備えており、
   上記主体金具のフランジ部及び先端部の少なくともいずれかが、上記スパークプラグを上記プラグホールに挿入しつつ軸線方向を中心に回転させたときに、該プラグホールのうち上記フランジ対応部及び先端対応部の少なくともいずれかと、１または複数箇所にて互いに嵌合する嵌合位置制限形状とされている一方、
   １または複数の上記接地電極結合部の形成位置と、上記嵌合位置制限形状とされた上記主体金具のフランジ部及び先端部の少なくともいずれかとの関係が、同一品番のスパークプラグを見たときにいずれも略同一とされていることを特徴とするスパークプラグ。

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