JP4638093B2

JP4638093B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP4638093B2
Application number: JP2001244442A
Authority: JP
Inventors: 友聡加藤; 守無笹; 清博近藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2021-08-10
Also published as: JP2003059620A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスパークプラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジンなどの内燃機関に使用されるスパークプラグのうち、レース用等の高出力エンジンに搭載されるものは、エンジンからの強い振動を受けやすく、接地電極の折損や主体金具に対する溶接部の剥離といった不具合が生じやすい問題がある。その原因として、機関もしくは燃焼振動による共振と高加速度（Ｇ）とが考えられる。一般のスパークプラグは、接地電極が、先端側が中心電極側を向くようにアール状に曲げ加工されていることから、主体金具への取り付け基端側に曲げモーメントが作用しやすく、より折損等が生じやすいといえる。
【０００３】
そこで、レース用に特化されたスパークプラグの仕様として、接地電極を上記のようにアール状に曲げ加工せず、主体金具との接合側端部から、主体金具の中心軸線に近づく向きに直線的に延びる形態としたものが、例えば特開平５−７４５４９号や特開平２−３２６９２号の各公報に開示されている。このような接地電極形態とすることにより、接地電極の全長が短くなり、振動が加わったときに電極の接合基端部に付加される片振り曲げモーメントを小さくできるので、折損や剥離等が生じにくくなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、レース用自動車やオートバイ用のエンジンはさらに高性能・高出力化しており、より高温下にてスパークプラグに強い振動が加わるようになってきている。その結果、上記従来のスパークプラグにおける接地電極の形態改良だけでは、上記不具合の発生抑制を十分に図ることが困難となっている。
【０００５】
本発明の課題は、レース用等の高出力エンジン用用途において、接地電極の折損や剥離を効果的に防止ないし抑制できるスパークプラグを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために、本発明のスパークプラグは、中心電極と、その中心電極の外側に設けられた絶縁体と、絶縁体の外側に設けられるとともに内燃機関への取付ねじ部が外周面に形成された主体金具と、一端側が主体金具に結合され、他端側が中心電極の先端と対向するように配置されて中心電極との間に火花放電ギャップを形成する接地電極とを備え、その特徴部が以下のように構成される（以下、理解の便宜を図るために図１、図２及び図１０を援用して説明するが、本発明は該図面に開示されたスパークプラグの形態に限定されるものでないことはもちろんである）。
【０００７】
すなわち、図１において、取付ねじ部６の中心軸線Ｏと直交する第一投影面Ｐへの正射投影像（図１（ｂ））において、該接地電極４は中心軸線Ｏに関する半径方向に直線的に延伸した外形形態を有する。また、図１（ｂ）に示すように、中心軸線Ｏと、投影面Ｐ上における接地電極４の正射投影像の延伸方向Ｌとのいずれとも平行な第二投影面Ｑを考えたとき、図２に示すように、接地電極４の火花放電ギャップｇに近い側の側面（第一側面）Ｊが、該第二投影面Ｑへの正射投影像において、主体金具５との接合側の端Ａから先端Ｂに向けて少なくともその途中区間まで、中心軸線Ｏに近づく向きに直線的に延びる形態を有してなる。また、接地電極４はＰｔを主成分とする合金にて構成される棒状素材の一方の端部を、溶接区間Ｗにおいて主体金具５端面に溶接接合して形成されたものである。なお、本発明において「Ｐｔを主成分とする」とは、含有量の最も高い成分がＰｔであることを意味する。
【０００８】
そして、本発明のスパークプラグの第一の構成においては、図１０に示すように第一投影面Ｐへの正射投影像において接地電極４が、延伸方向Ｌにおける溶接区間Ｗの長さをｗ、該溶接区間Ｗよりも火花放電ギャップｇ側に突出している部分（以下、電極突出部ともいう）の長さをｄとしたとき、ｄ／（ｄ＋ｗ）が０．５５〜０．５８に調整されてなる。また、主体金具５は、取付ねじ部６の形成部分にて内周面が円筒状面５ｅとされてなり、該円筒状面５ｅを火花放電ギャップｇの存在側に延長したとき、接地電極４の該延長面５ｅよりも内側に突出する部分が、主体金具５との接合側の端Ａから先端Ｂに向けて、少なくともその途中区間までが中心軸線が一定の直柱体状部とされ、該直柱体状部の軸断面積が０．６４〜２ｍｍ^２であることを特徴とする。
【０００９】
上記構成によると、接地電極４の電極突出部の長さをｄ、同じく主体金具５に対する溶接区間Ｗの長さをｗとして、ｄ／（ｄ＋ｗ）を０．５５〜０．５８に調整し、接地電極４の接合側の端Ａから延びる直柱体状部の軸断面積を０．６４〜２ｍｍ^２に設定することにより、接地電極４の折損や主体金具５からの剥離を効果的に防止ないし抑制することができる。直柱体状部の軸断面積が０．６４ｍｍ^２未満になると、接地電極４の耐折損性あるいは耐剥離性が不十分となる。また、ｄ／（ｄ＋ｗ）が０．５未満になると、プレイグニッション発生の観点から見たスパークプラグの耐熱性が不足することにつながる。つまり、ｄ／（ｄ＋ｗ）が小さくなることは、電極突出部の長さｄが短くなり、主体金具５の先端開口径が小さくなることを意味する。本発明のスパークプラグでは、絶縁体３の先端が主体金具５の先端よりも引っ込んで位置するため、主体金具５の先端開口径が小さくなると絶縁体３の先端部の冷却が進みにくくなって過度に温度上昇し、火花放電する点火進角よりも早く混合気に着火してしまう、プレイグニッションが発生しやすくなるのである。他方、直柱体状部の軸断面積が２ｍｍ^２を超えると着火性の低下につながる。他方、ｄ／（ｄ＋ｗ）が０．５８以上になることは、電極突出部長さが過大化して耐折損性の低下を招くことにつながる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）に示す本発明の一例たるスパークプラグ１は、筒状の主体金具５、その主体金具５の内側嵌め込まれた絶縁体３、その絶縁体３の内側に設けられた中心電極２、一端側が主体金具５に結合され、他端側が中心電極２の先端と対向するように配置されて中心電極２との間に火花放電ギャップｇを形成する接地電極４等を備えている。
【００１２】
絶縁体３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、図１（ｃ）に示すように、その内部には自身の軸方向に沿って中心電極２を嵌め込むための孔部（貫通孔）３ｄを有している。また、主体金具５は、低炭素鋼等の金属により円筒状に形成されており、スパークプラグ１のハウジングを構成するとともに、その外周面には、図１（ａ）に示すように、スパークプラグ１を図示しないシリンダヘッドに取り付けるためのねじ部６が形成されている。
【００１３】
他方、図１（ｃ）に示すように、絶縁体３の孔部３ｄには、その一方の端部側に端子金具１３が挿入・固定され、同じく他方の端部側に中心電極２が挿入・固定されている。また、該貫通孔３ｄ内において端子金具１３と中心電極２との間に抵抗体１５が配置されている。この抵抗体１５の両端部は、導電性ガラスシール層１６，１７を介して中心電極２と端子金具１３とにそれぞれ電気的に接続されている。また、中心電極２は、電極の表層部分を構成する母材がＮｉ合金にて構成され、必要に応じてその内部に熱引き改善のための、図示しない放熱促進用芯材部（例えばＣｕあるいはＣｕ合金にて構成される）が埋設される。また、火花放電ギャップｇに面する先端位置に、Ｉｒ合金あるいはＰｔ合金からなる貴金属発火部３２が溶接接合されている。
【００１４】
図１（ｂ）に示すように、取付ねじ部６の中心軸線Ｏと直交する第一投影面Ｐへの正射投影像において、該接地電極４は中心軸線Ｏに関する半径方向に直線的に延伸した外形形態を有する。そして、図２に示すように、中心軸線Ｏと、投影面Ｐ上における接地電極４の正射投影像の延伸方向Ｌとのいずれとも平行な第二投影面Ｑを考えたとき、接地電極４の火花放電ギャップｇに近い側の側面（第一側面）Ｊが、該第二投影面Ｑへの正射投影像において、主体金具５との接合側の端Ａから先端Ｂに向けて少なくともその途中区間まで、本実施形態においてはその全区間が、中心軸線Ｏに近づく向きに直線的に延びる形態を有してなる。そして、接地電極４は、その全体が、Ｐｔ−Ｉｒ合金等のＰｔ合金（Ｐｔを主成分とする合金（Ｐｔの質量含有率が最も高い合金））にて構成されてなる。
【００１５】
接地電極４は、具体的には上記合金からなる棒状素材の一方の端部を溶接区間Ｗにおいて溶接接合して形成されたものである。この溶接は、公知の抵抗溶接法あるいはレーザー溶接法により行われるものである。また、主体金具５は、取付ねじ部６の形成部分にて内周面が円筒状面５ｅとされてなり、該円筒状面５ｅを火花放電ギャップｇの存在側に延長したとき、接地電極４の該延長面５ｅよりも内側に突出する部分、つまり電極突出部が、主体金具５との接合側の端Ａから先端Ｂに向けて、少なくともその途中区間まで、本実施形態ではその全体が、正方形状又は長方形状の軸断面を有し、かつ中心軸線が一定の直柱体状部とされている。
【００１６】
そして、第一投影面Ｐへの正射投影像において接地電極４は、図１０に示すように、延伸方向Ｌにおける溶接区間Ｗの長さをｗ、該溶接区間Ｗよりも火花放電ギャップｇ側に突出している部分の長さをｄとしたとき、以下の条件を満たすものとして構成されている。
ｄ／（ｄ＋ｗ）が０．５５〜０．５８に調整されてなり、電極突出部をなす前記直柱体状部の軸断面積が０．６４〜２ｍｍ^２である。
各数値範囲の臨界的意味は「課題を解決するための手段及び作用・効果」の欄にて説明済みであるからここでは繰り返さない。図１０（ａ）は、抵抗溶接により接合した例であり、（ｂ）はレーザー溶接により接合した例であるが、何れの場合も溶接区間Ｗの長さｗは、接地電極４の溶接接合部位において、主体金具５との合金化の影響を受けていない部分の長さとして定義する。
【００１７】
図２に示す態様では、着火性を上げるために、中心電極２の先端部（あるいは貴金属発火部３２）を主体金具１の先端面から突出配置している。そこで、接地電極４は、第一側面Ｊが、主体金具５との接合側の端Ａから先端Ｂに向けて、傾斜した形で中心軸線Ｏに近づく向きに、全区間に渡り直線的に延びる形態とされ、上記突出した中心電極２の先端面との間に火花放電ギャップｇを形成している。このような接地電極形態を有するスパークプラグを、一般にスラント電極タイプと称している。このように接地電極４を傾斜形態に接合するためには、図２に示すように、主体金具５の先端面５ｔを内周側が突出する円錐面状に形成しておき、そこに角柱形態（例えば軸断面が正方形状あるいは長方形状のもの）の棒状素材の側面基端部を重ね合わせる形態で溶接するとよい。
【００１８】
上記の形態の場合、着火性は大幅に向上するが、火花放電ギャップｇを形成する第一側面Ｊが、電極先端に近づくほど中心電極２の先端面から離間してギャップ長が大きくなるため、火花がギャップ間隔の短くなる側に偏って発生しやすくなる。これが問題となる場合は、図９に示すように、接地電極４の全長は若干長くなるが、中心電極２の先端面と平行に対向する平行面部Ｊ’を形成するようにしてもよい。この形態においては、第一側面Ｊは、主体金具５との接合側の端Ａから先端Ｂに向けて、途中区間までが、中心軸線Ｏに近づく向きに直線的に延びることとなる。
【００１９】
他方、図３に示すように、中心電極２の先端部（あるいは貴金属発火部３２）を、主体金具１の先端面より一定距離だけ引っ込んで位置させ、接地電極４を中心軸線Ｏと略直交する向きに非傾斜に配置することもできる。この構成の場合、接地電極４が傾斜しない分だけその全長を短くでき、ひいては耐折損性を一層高めることができる。また、接地電極４の第一側面Ｊを中心電極２の先端面と平行に対向させることができるので、図２の構成と比較して偏消耗が生じにくく、電極の長寿命化を図ることができる。このような接地電極形態を有するスパークプラグを、一般にサイド電極タイプと称している。
【００２０】
また、接地電極４は、図４〜図８に示すように、火花放電ギャップｇから遠い側の側面を第二側面Ｋとして、棒状素材の先端部を第二側面Ｋ側において一部切り欠く切欠部４ａ，４ｂ，４ｃを形成することにより、該先端部にて体積が減じられた形態をなすものとして構成することができる。振動が加わったときに接地電極４が受ける曲げモーメントは、接地電極４の長手方向の質量分布において、拘束端（つまり主体金具１への接合端）からの距離が長い位置に質量集中していると大きくなる。そこで、接合端からの距離が長い電極先端部に上記のような切欠部４ａ，４ｂ，４ｃを形成しておけば、同じレベルの振動が加わった場合でも、接地電極４が受ける曲げモーメントを小さくでき、ひいては耐折損性を高めることができる。この場合、図４のように切欠部４ａが形成されると、その区間において電極突出部は直柱体状でなくなる。また、図５あるいは図６のように切欠部４ｂあるいは４ｃが形成されると、その区間の軸断面の重心位置が切欠部非形成の区間の重心位置からずれるため、「中心軸線が一定」の条件を満たさなくなる。いずれにしろ、電極突出部は、前記した端Ａから先端Ｂに向けて途中区間までのみが、中心軸線が一定の直柱体状部となる。
【００２１】
図４〜図６は、図２のスラント電極タイプのものに切欠部４ａ，４ｂ，４ｃを形成した例である。図４では、第二側面Ｋの先端に向かうほど、接地電極４の厚みを長手方向に連続的に減少させる平面状の切欠部４ａを形成している。なお、接地電極４の厚みを段階的に減少させる階段状の切欠部４ａを形成してもよい。図５では、接地電極４の先端部に、基端側よりも薄肉となる一様な厚さの薄肉部を形成する切欠部４ｂが形成されている。さらに、図６においては、接地電極４の先端部において、幅方向両側に傾斜面状の切欠部４ｃを形成することにより、当該幅方向両側部分が中央部よりも薄肉となる形態とされている。図７及び図８は、図３のサイド電極タイプのものに、図４及び図５と同様の切欠部４ａ，４ｂを形成した例である。
【００２２】
上記切欠部の形成長さが過度に大きくなると、薄肉化する区間が長くなりすぎ、耐折損性向上効果が帰って損なわれることにもつながる。この観点において、例えば図４、図５、図７あるいは図８に示すように、切欠部４ａ，４ｂは、接地電極４の先端から長手方向に２ｍｍまでの区間Ｌに収まるように形成することが望ましい。
【００２３】
また、図４、図５、図７あるいは図８において、主体金具５は、取付ねじ部６の形成部分にて内周面が円筒状面５ｅとされている。ここで、該円筒状面５ｅを火花放電ギャップｇの存在側に延長し、接地電極４の該延長面５ｅよりも内側に突出する部分（以下、電極突出部という）の体積をＶ、切欠部４ａ，４ｂの形成により棒状素材から減じられる体積をＶ’としたとき、Ｖ’／（Ｖ＋Ｖ’）の値は０．２以上０．５以下とすることが望ましい。Ｖ’／（Ｖ＋Ｖ’）の値が０．２未満では接地電極４の耐折損性向上効果に乏しく、０．５を超えると電極先端温度が上昇しやすくなり、電極の異常消耗や溶損といった不具合を招きやすい。
【００２４】
切欠部４ａ，４ｂの非形成区間においては、電極突出部が直柱体状に形成されているので、その直柱体状部と同一の軸断面形状及び寸法を有し、かつ電極突出部と同一長さの直柱体の体積をＶ0として求めれば、実際の電極突出部の体積Ｖを求めることにより、Ｖ’は、Ｖ0とＶとの差分Ｖ0−Ｖとして算出することができる。各体積パラメータの値は、公知の３次元形状測定器を用いて測定した、電極突出部の３次元形状プロファイルから計算することが可能である。
【００２５】
【実施例】
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及び図２に示すスパークプラグの試験品として、取付ねじ部６の呼びがＭ１４、中心電極２の主体金具５からの出寸法が０．３ｍｍ、火花放電ギャップｇの間隔（最小となる位置での値）が０．６ｍｍ、接地電極４の断面形状が正方形状（一辺の長さが０．８〜１．５６ｍｍ）であり、前記したｄ／（ｄ＋ｗ）が０．４９〜０．７のものを種々に作製した。接地電極４の材質として用いたのは、表１に示す種々の組成のＰｔ−Ｉｒ二元合金であり、いずれも熱間伸線した線材を素材として用い、主体金具５に対して抵抗溶接により接合した。
【００２６】
上記の各スパークプラグを以下のようにして評価した。
（１）耐折損性評価：排気量２５０ｃｃの２サイクルエンジンを搭載したオートバイに取り付け、テストコースを、平均速度１６０ｋｍ／ｈにて３００ｋｍ走行した。走行終了後、試験品を取り外し、接地電極と主体金具との溶接面及び電極母材にクラックが形成されているか否かを目視により確認し、クラックが全く検出されなかったものを良好（○）、０．５ｍｍ未満の微小なクラックのみ認められたものを可（△）、０．５ｍｍ以上の顕著なクラックが認められたものを不可（×）として判定した。
（２）着火性：上記（１）のテスト走行を３人のプロのテストライダーにより実施させ、その加速フィーリングについてのアンケートを行なうとともに、加速フィーリングに好感触を示したライダーの数が、３人のものを着火性良好（○）、２人のみのものを着火性普通（△）、１人以下のものを着火性不良（×）として判定した。
（３）耐熱性試験：排気量５０ｃｃの２サイクルエンジンに取り付け、点火進角を段階的に大きくしながら、スロットル全開状態、エンジン回転数８５００ｒｐｍにて運転を行い、プレイグニッションの発生が始まる臨界点火進角を求めた（この臨界点火進角が小さいほどプレイグニッションが発生しやすく、耐熱性に劣ることを意味する）。そして、該臨界点火進角が、エンジンの規定進角と同等以上のものを良好（○）、規定進角未満であれば不良（×）として評価した。
以上の結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】

【００２８】
これによると、接地電極４のｄ／（ｄ＋ｗ）の値及び軸断面積の値を本発明の数値範囲内に設定することにより、着火性や耐熱性を確保しつつ、接地電極の耐折損性を良好なものとできることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパークプラグの一例を示す正面図、底面図及び部分縦断面図。
【図２】図１のスパークプラグの要部を拡大して示す半断面図。
【図３】図１のスパークプラグの、第一変形例の要部を拡大して示す半断面図。
【図４】図１のスパークプラグの、第二変形例の要部を拡大して示す半断面図。
【図５】図１のスパークプラグの、第三変形例の要部を拡大して示す半断面図。
【図６】図１のスパークプラグの、第四変形例の要部を拡大して示す半断面図。
【図７】図１のスパークプラグの、第五変形例の要部を拡大して示す半断面図。
【図８】図１のスパークプラグの、第六変形例の要部を拡大して示す半断面図。
【図９】図１のスパークプラグの、第七変形例の要部を拡大して示す半断面図。
【図１０】接地電極の溶接接合形態をいくつか例示して示す拡大底面図。
【符号の説明】
１スパークプラグ
２中心電極
３絶縁体
４接地電極
４ａ，４ｂ，４ｃ切欠部
５主体金具
Ｏ中心軸線
６取付ねじ部
ｇ火花放電ギャップ
Ｐ第一投影面
Ｌ延伸方向
Ｑ第二投影面
Ｊ第一側面
Ｋ第二側面
Ｗ溶接区間

Claims

中心電極（２）と、その中心電極（２）の外側に設けられた絶縁体（３）と、前記絶縁体（３）の外側に設けられるとともに内燃機関への取付ねじ部（６）が外周面に形成された主体金具（５）と、一端側が前記主体金具（５）に結合され、他端側が前記中心電極（２）の先端と対向するように配置されて前記中心電極（２）との間に火花放電ギャップ（ｇ）を形成する接地電極（４）とを備え、
前記取付ねじ部（６）の中心軸線（Ｏ）と直交する第一投影面（Ｐ）への正射投影像において、該接地電極（４）は前記中心軸線（Ｏ）に関する半径方向に直線的に延伸した外形形態を有し、
前記中心軸線（Ｏ）と、前記投影面（Ｐ）上における前記接地電極（４）の正射投影像の延伸方向（Ｌ）とのいずれとも平行な第二投影面（Ｑ）を考えたとき、前記接地電極（４）の前記火花放電ギャップ（ｇ）に近い側の側面（以下、第一側面という）（Ｊ）が、該第二投影面（Ｑ）への正射投影像において、前記主体金具（５）との接合側の端（Ａ）から先端（Ｂ）に向けて、少なくともその途中区間まで、前記中心軸線（Ｏ）に近づく向きに直線的に延びる形態を有してなり、
また、前記接地電極（４）はＰｔを主成分とする合金にて構成される棒状素材の一方の端部を、溶接区間（Ｗ）において前記主体金具（５）の端面に溶接接合して形成されたものであり、かつ、前記第一投影面（Ｐ）への正射投影像において前記接地電極（４）は、前記延伸方向（Ｌ）における前記溶接区間（Ｗ）の長さをｗ、該溶接区間（Ｗ）よりも前記火花放電ギャップ（ｇ）側に突出している部分の長さをｄとしたとき、ｄ／（ｄ＋ｗ）が０．５５〜０．５８に調整されてなり、
また、前記主体金具（５）は、前記取付ねじ部（６）の形成部分にて内周面が円筒状面（５ｅ）とされてなり、該円筒状面（５ｅ）を前記火花放電ギャップ（ｇ）の存在側に延長したとき、前記接地電極（４）の該延長面（５ｅ）よりも内側に突出する部分は、前記主体金具（５）との接合側の端（Ａ）から先端（Ｂ）に向けて、少なくともその途中区間までが中心軸線が一定の直柱体状部とされ、該直柱体状部の軸断面積が０．６４〜２ｍｍ^２であることを特徴とするスパークプラグ。