JP4705596B2 - 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係り、特に、セミ沿面放電間隙を備える内燃機関用スパークプラグに関するものである。

従来、耐汚損性を改善した内燃機関用のスパークプラグとしてセミ沿面放電型と呼ばれるものが知られている。このようなセミ沿面放電型のスパークプラグ（以下、セミ沿面スパークプラグという）は、通常の気中放電型のスパークプラグと同様に、中心電極と、その外周に設けられた絶縁体と、当該絶縁体の外周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部に接合された接地電極とを備える。このセミ沿面スパークプラグは、中心電極と接地電極との間に電圧が印加されると、接地電極の先端部の一部と絶縁体の先端部の一部とを基点とする気中放電経路と、その絶縁体の先端部一部と中心電極のうち絶縁体の先端面近傍の部位の一部とを基点とする沿面放電経路とからなる火花放電経路（火花放電間隙）を形成するように構成されている。

ところで、スパークプラグは、中心電極や接地電極の温度が比較的低温の環境下で長時間使用されると、いわゆる「燻り」や「かぶり」と称される状態となり、絶縁体先端面がカーボンなどの導電性汚損物質で覆われて正常に火花放電間隙で飛火しなくなる「汚損」と呼ばれる状態に陥ることが知られている。この点、上記セミ沿面スパークプラグによれば、絶縁体先端面を這う形で火花放電が生ずるため、汚損物質が焼き切られることとなり、気中放電型のスパークプラグと比べて耐汚損性の向上が図られる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２２８８５号公報

一方、スパークプラグにあっては、接地電極の熱引きを良好なものとし、十分な耐久性を確保する必要がある。そして、接地電極に関し所定の耐久性を確保するためには、当該接地電極のサイズとしてある程度大きいものを採用せざるを得ないというのが実状である。

しかしながら、単に接地電極としてサイズの大きいものを用いたのでは、火炎が広がるスペースが阻害されてしまうとともに、接地電極により火炎の熱も奪われやすく、消炎効果が増大してしまう。その結果、着火性が低下してしまうおそれがある。

また、気中放電型のスパークプラグと比べ、セミ沿面スパークプラグは、ただでさえ接地電極の絶縁体と対向する面積が大きく燃料ブリッジが発生しやすい傾向にある。その上、上記のように接地電極のサイズが大きくなると、より一層燃料ブリッジ発生の懸念は増大してしまう。

尚、上記特許文献１においては、接地電極に貴金属チップを設ける旨が記載されているが、単にチップを設けるだけでは、ある程度の耐久性の確保が図られるものの、依然として着火性の低下、燃料ブリッジ発生についての懸念は払拭されない。

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、セミ沿面放電型のスパークプラグに関し、耐久性及び耐汚損性を確保しつつ、着火性の向上を図ることができるとともに、燃料ブリッジの発生を起こりにくく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等を付記する。

構成１．本構成のスパークプラグは、軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、前記軸孔に挿設された中心電極と、前記絶縁体の外周に設けられ、自身の先端より前記絶縁体の先端面が突出するように配置された主体金具と、基端部が前記主体金具の先端面に固着された接地電極とを備えた内燃機関用スパークプラグであって、
前記接地電極の先端部には、径方向に前記中心電極に向かって自身の先端部が突出する貴金属チップが固定されており、
当該貴金属チップの先端部と前記中心電極の先端部との間に電圧が印加されて形成される火花放電経路は、前記貴金属チップの先端部の一部と前記絶縁体の先端部の一部とを基点とする気中放電経路と、前記絶縁体の先端部の一部と前記中心電極の一部とを基点として前記絶縁体の先端面に沿う沿面放電経路とから形成されており、
前記貴金属チップの前記接地電極先端からの突出長が０．２ｍｍを超え、
前記絶縁体は自身の先端部側面と先端面とが曲率半径Ｒをもって連設されており、前記貴金属チップの厚さｔ１との関係において、
Ｒ≧０．２ｍｍ
ｔ１（ｍｍ）×Ｒ（ｍｍ）≦１
の関係を有していることを特徴とする。

ここで、「接地電極の先端部」とあるのは、接地電極の先端面が中心電極の径方向に対向している場合には、「接地電極の先端面」を指す。一方、接地電極の先端側面が中心電極の径方向に対向している場合には、「接地電極の先端側面」を指す。また、「貴金属チップ」は、その先端部が径方向に前記中心電極に向かって突出していればよく、その材料としては、白金やイリジウムといった貴金属を主成分とした合金が挙げられる。また、接地電極の先端面が中心電極の径方向に対向しており、接地電極の先端面から「貴金属チップ」が突出する場合には、当該「貴金属チップ」は、前記接地電極の先端面の面積よりも小さい必要があり、さらには、前記接地電極先端面の厚さよりも薄肉である必要がある。

上記構成１によれば、接地電極の先端には、自身の先端部が径方向に中心電極に向かって突出する貴金属チップが固定されているため、貴金属チップと中心電極との間で火花放電が起こる。貴金属チップは高温耐酸化性、耐火花消耗性に優れるものであるため、自身及び接地電極の消耗が起こりにくくなり、かかる意味で耐久性の確保が図られる。また、火花放電経路の一部に、絶縁体の先端面に沿う沿面放電経路が含まれるため、絶縁体先端面を這う形で火花放電が生ずる。このため、汚損物質が焼き切られることとなり、耐汚損性の確保が図られる。さらに、接地電極のサイズをさほど増大しなくても耐久性の確保が図られることから、サイズを大きくしなくても済む分だけ火炎が広がるスペースが阻害されにくく、火炎の熱も奪われにくい。そのため、着火性の低下を抑制できる。

また、構成１では、貴金属チップの接地電極先端からの突出長が０．２ｍｍを超えるため、着火点近傍の空間を考慮した場合、貴金属チップがない場合に比べて、接地電極（本体部）の先端位置が着火点から遠ざかることになる。つまり、着火点近傍にはより断面積の小さい貴金属チップが存在する。そのため、燃焼スペースがより確保されやすく、火炎がよりスムースに広がることが期待できると共に、火炎の熱が接地電極により奪われる程度をより一層低下させることができる。結果として、より一層の着火性の向上を図ることができる。尚、突出長が０．２ｍｍ以下の場合には、上述した着火性向上についての作用効果が十分に奏されないおそれがある。

さらに、火花放電の起こりうる領域を考慮した場合、貴金属チップがない場合の接地電極の絶縁体の先端部分と対向する面の総面積に比べ、貴金属チップの突出端と絶縁体先端部分との対向する面の総面積が小さくて済む。そのため、霧化の不十分な燃料が絶縁体先端部分と接地電極（貴金属チップ）との間に保持されてしまう機会を低減させることができ、結果として燃料ブリッジを抑制することができる。

併せて、貴金属チップを突出させる構成としているため、その分だけ接地電極の長さの短縮化等を図ることができる。従って、接地電極の受熱面積が減り、熱負荷を減少させることができる。さらには、接地電極（本体部）の重量低減も図られるため、振動が抑制され、耐電極折損性の向上を図ることもできる。
また、曲率半径Ｒがあまりにも大きいと火花放電の位置がばらついてしまうおそれがある。また、チップの厚さｔ１が大きくても同様に火花放電の位置はばらつく傾向にある。したがって、上記作用をより効果的に得るためには、曲率半径Ｒとチップの厚さｔ１とを上記関係に設定する。

但し、前記突出長は闇雲に長くすればよいと言うわけではない。すなわち、次のような構成２とするのがより望ましい。

構成２．本構成のスパークプラグは、上記構成１において、前記貴金属チップの前記接地電極先端からの突出長は５ｍｍ以下であることを特徴とする。

一般に、貴金属チップの突出長が長くなる程、材料費が増大することとなる。この点において、前記貴金属チップの前記接地電極先端からの突出長は５ｍｍを超えてしまうと、材料費の増大に対して着火性向上効果の程度が小さい。それ故、上記構成２とするのがより望ましい。

構成３．本構成のスパークプラグは、上記構成１又は２において、前記貴金属チップの厚さが１．０ｍｍ以下であることを特徴とする。

ここで、「厚さ」とは、詳細には、前記軸線と前記貴金属チップが突出する方向への当該貴金属チップの軸心とを含む平面において、貴金属チップの先端面のうち最も軸線方向先端側に位置する先端側端縁と、貴金属チップの先端部のうち最も軸線方向基端側に位置する基端側端縁との軸線方向距離を意味する。従って、例えば直方体形状の貴金属チップが軸線方向と直交する径方向に延びて配設されるような場合には、任意の位置での軸線方向における厚さを指すが、貴金属チップが前記軸線方向と非直交で交わって（つまり傾いて）突出しているような場合には、貴金属チップの突出端の軸線方向の長さが厚さとされる。

上記構成３によれば、貴金属チップの厚さが１．０ｍｍ以下であるため、上記着火性の向上を図ることができるという作用効果がより確実に奏されることとなる。特に、貴金属チップの厚さの範囲内で火花放電位置がばらつくことを考慮すると、火花放電位置のばらつきは、前記厚さの範囲内でしか起こらないこととなる。結果として、厚さを１．０ｍｍ以下と小さくすることで、火花放電位置のばらつきを抑制でき、安定した燃焼を確保できる。これに対し、貴金属チップの厚さが１．０ｍｍを超えた場合には、火花放電位置がばらつきやすく、安定した燃焼が阻害され着火性に影響が及ぶおそれがある。

但し、前記貴金属チップの厚さを極端に薄くすればよいと言うわけではない。すなわち、次のような構成４とするのがより望ましい。

構成４．本構成のスパークプラグは、上記構成３において、前記貴金属チップの厚さが０．２ｍｍ以上であることを特徴とする。

一般に、貴金属チップの厚みが薄くなりすぎると、貴金属の占める体積が小さくなるため熱容量も低下する。このため、貴金属チップは使用に際して定常的に高温状態（過熱）となり、耐消耗性が悪化してしまう。したがって、上記構成４のように、厚さは０．２ｍｍ以上とするのが好ましい。

構成５．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至４のいずれかにおいて、前記貴金属チップの幅が、前記絶縁体の先端面の軸孔径の５０％以上であることを特徴とする。

ここで、「幅」とは、詳細には、前記中心電極から前記貴金属チップの設けられた接地電極を径方向に見たときの、前記貴金属チップの先端面の前記径方向に直交しかつ前記軸線方向に直交する方向の両端縁間の距離（左右端縁間の距離）を指すものである。

上記構成５によれば、貴金属チップの幅が、絶縁体の先端面の軸孔径の５０％以上であるため、中心電極に対し周方向により広範囲で火花が飛ぶこととなり、中心電極周囲の絶縁体先端面上の汚損物質をより確実に焼き切ることができる。結果として、耐汚損性の一層の向上を図ることができる。

尚、貴金属チップの幅が極端に大きければよいと言うわけではない。すなわち、次のような構成６とするのがより望ましい。

構成６．本構成のスパークプラグは、上記構成５において、前記貴金属チップの幅が前記絶縁体の先端面外径以下であることを特徴とする。

貴金属チップの幅は、絶縁体先端面の清浄範囲に依存するため、汚損しうる絶縁体先端面の外径に等しい幅を有していれば最大限にその性能を発揮しうる。このため、チップの幅は前記絶縁体の先端面外径以下であればよいが、幅が絶縁体の先端面における軸孔径と同程度であっても火花放電が行われる接地電極への方向に対する清浄性能は確保されるため、貴金属の使用量および着火性等を考慮すると絶縁体の先端面における軸孔径以下であることがより好ましいと言える。

構成７．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至６のいずれかにおいて、前記貴金属チップの先端面のうち、最も軸線方向先端側に位置する先端側端縁は前記絶縁体の先端面よりも先端側に位置するとともに、最も軸線方向基端側に位置する基端側端縁は前記絶縁体の先端面よりも基端側に位置することを特徴とする。

上記構成７によれば、貴金属チップの先端面のうち、最も軸線方向先端側に位置する先端側端縁は絶縁体の先端面よりも先端側に位置するとともに、最も軸線方向基端側に位置する基端側端縁は絶縁体の先端面よりも基端側に位置している。つまり、貴金属チップの突出側端面と、絶縁体の先端面とがほぼ同じ高さに位置している。このため、絶縁体の先端面に沿った火花放電を確保しやすい。従って、所期の耐汚損性を確保しつつ、絶縁体が消耗してしまうことに起因するチャンネリングという不具合も抑制できる。これに対し、貴金属チップの先端面のうち、最も軸線方向先端側に位置する先端側端縁が絶縁体の先端面よりも基端側に位置する場合には、火花が絶縁体側面に当たりやすくなり、絶縁体が消耗し、チャンネリングが発生してしまうおそれがある。また、貴金属チップの先端面のうち、最も軸線方向基端側に位置する基端側端縁が絶縁体の先端面よりも先端側に位置する場合には、絶縁体の先端面に沿った火花放電が行われにくくなってしまい、耐汚損性が低下してしまうおそれがある。

尚、上記の各作用効果がより確実に奏されるためには、次の構成とすることが望ましい。

構成８．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至７のいずれかにおいて、前記貴金属チップの固定された接地電極が複数本設けられていることを特徴とする。

また、次の構成を採用することもできる。

構成９．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至８のいずれかにおいて、前記中心電極の先端面に自身の一側面が対向するとともに前記軸線方向に沿う気中放電間隙を形成する平行接地電極を備えることを特徴とする。

これらのスパークプラグは、一般的には多極セミ沿面プラグやハイブリッド型プラグと呼称されるが、これらのスパークプラグを構成する際に上記貴金属チップの構成を採用してもよい。

さらに、次の構成を採用することで、従来にはない新規な課題を解決することが可能となる。

構成１０．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至９のいずれかにおいて、前記主体金具外周のねじ径がＭ１０以下であることを特徴とする。

従来、主体金具外周のねじ径がＭ１０以下と比較的小径の場合、セミ沿面放電型のスパークプラグを構成しようとすると、接地電極先端を絶縁体先端面に沿わせるために曲げ加工等を行うことは、スペースの都合上事実上困難であった。この点、上記のように貴金属チップを突出させる構成を採用することで、主体金具外周のねじ径がＭ１０以下の小径のスパークプラグであっても、セミ沿面放電を無理なく実現することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しつつ説明する。尚、図１は、本実施形態のスパークプラグ１００の全体構造を示す図であり、図２は、主要部分を示す一部破断正面図である。以下には、主として図２等を中心に説明をすることとする。ところで、尚、図２，４，９，１０，１１，１２では、紙面上方を軸線の先端方向、紙面下方を軸線の後端方向として、図１では、紙面下方を軸線の先端方向、紙面上方を軸線の後端方向として、さらに、図３，８では、紙面表裏方向を軸線方向とし、先端側から俯瞰したものとして説明する。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態のスパークプラグ１００は、主体金具１と、絶縁体２と、中心電極３と、２本の接地電極４Ａ，４Ｂとを備えている。主体金具１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１００のハウジングを構成するとともに、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のシリンダヘッドに取り付けるためのねじ部７が形成されている。主体金具１の内側には、絶縁体２が保持されている。絶縁体２の先端面２ａは主体金具１の先端面から先端側に突出している。

絶縁体２は、例えばアルミナ等のセラミック焼結体により構成され、その内部には自身の軸線方向に沿って軸孔６が形成されており、当該軸孔６に前記中心電極３が従来周知の手法にて挿入状態で固定されている。本実施形態においては、中心電極３の先端面３ａは、絶縁体２の先端面２ａと略面一となっている。

さらに、接地電極４Ａ，４Ｂは、中心電極３を挟んだ対称位置に設けられており、それぞれの基端面が、前記主体金具１の先端面に対し溶接されている。接地電極４Ａ，４Ｂは、長手方向中間位置において中心電極３の先端部方向へ屈曲させられている。そして、接地電極４Ａ，４Ｂは、その先端面が前記絶縁体２の先端部外周面と対向するように配置されている。これら接地電極４Ａ，４Ｂは、インコネル６００や６０１（登録商標）等のニッケル合金等で構成されている。

さて、図１〜図４に示すように、接地電極４Ａ，４Ｂの先端面には、中心電極３先端部に向かって突出する貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂが固定されており、各貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂの先端面と中心電極３の先端部との間に火花放電間隙が形成されている。当該火花放電間隙には、スパークプラグ１００に所定の電圧が印加されると火花放電が生じる。火花放電の経路は、各貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂの先端面と絶縁体２との間に形成される気中放電経路（図中ギャップＧＡ，ＧＢ参照）と、当該気中放電経路の絶縁体２側の経路の基点となった点と中心電極３との間に絶縁体２の先端面２ａに沿うようにして形成される沿面放電経路とからなる。

また、本実施形態における貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂは、例えばＰｔ−２０Ｎｉからなる貴金属合金により構成されている。但し、当該素材構成はあくまでも例示であって、何ら限定されるものではない。各貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂは、接地電極４Ａ，４Ｂの先端に対し、溶接により固定されている。この場合、貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂは、接地電極４Ａ，４Ｂの先端面に対し当接させられた状態で溶接固定されてもよいが、より強固な固着を図るという観点からは、例えば、接地電極４Ａ，４Ｂの先端面に凹部を形成しておき、当該凹部にチップを嵌め込んだ上で、接地電極４Ａ，４Ｂとチップとの境界部分を溶接固定するのが望ましい。溶接としては、レーザ溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接等が挙げられる。

本実施形態における接地電極４Ａ，４Ｂは断面矩形状をなしており、幅Ｗが２．８ｍｍ、厚さＴが１．５ｍｍとなっている（図４参照）。これに対し、貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂの接地電極４Ａ，４Ｂの先端面からの突出長Ｅ１は、０．２ｍｍを超え、かつ、５ｍｍ以下のもの（本実施形態では例えば０．６ｍｍ）となっている。

また、貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂは、直方体形状（薄板状）をなし、軸線方向と直交する方向であって、かつ径方向において中心電極３に向かって延びるよう配設されており、その厚み（軸線方向の長さ）ｔ１が０．２ｍｍ以上かつ１．０ｍｍ以下（本実施形態では例えば０．４ｍｍ）となっている。さらに、貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂの幅ｗ１は、絶縁体２の先端面２ａの軸孔径Ｄの５０％以上、かつ、絶縁体２の先端面２ａの外径以下（本実施形態では例えば９０％）となっている（図３参照）。

そして、貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂは、スパークプラグ１００を正面視したときに（図２参照）、絶縁体２の先端面２ａを含む仮想平面γに対し、その先端側に貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂの先端面のうち最も軸線方向先端側に位置する先端側端縁αが位置し、その基端側に貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂの先端面のうち最も軸線方向基端側に位置する基端側端縁βが位置するように形成されている。つまり、基端側端縁αと先端側端縁βとの間に、絶縁体２の先端面２ａを含む仮想平面γが位置している（図２（ｂ）参照）。

以上のとおり、本実施形態によれば、接地電極４Ａ，４Ｂの先端面には、中心電極３先端部に向かって突出する貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂが固定されているため、貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂと中心電極３との間で火花放電が起こる。貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂは高温耐酸化性、耐火花消耗性に優れるものであるため、自身及び接地電極４Ａ，４Ｂの消耗が起こりにくくなり、かかる意味で耐久性の確保が図られる。また、火花放電経路の一部に、絶縁体２の先端面２ａに沿う沿面放電経路が含まれるため、当該先端面２ａを這う形で火花放電が生ずる。このため、燻りや汚損によって絶縁体２表面上に付着した汚損物質が焼き切られる形となり、耐汚損性の確保が図られる。特に、貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂの幅ｗ１は、絶縁体２の先端面２ａの軸孔径Ｄの５０％以上（本実施形態では例えば９０％）となっているため、中心電極３に対しより広範囲で火花が飛ぶこととなり、中心電極３周囲の絶縁体２の先端面２ａ上の汚損物質をより確実に焼き切ることができる。結果として、耐汚損性の一層の向上を図ることができる。

さらに、接地電極４Ａ，４Ｂのサイズをさほど増大しなくても耐久性の確保が図られることから、小さく抑えられる分だけ火炎が広がるスペースが阻害されにくく、火炎の熱も奪われにくい。そのため、着火性の低下を抑制できる。特に、本実施形態では、接地電極４Ａ，４Ｂの先端面からの貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂの突出長Ｅ１が０．２ｍｍを超えており、しかもその厚さｔ１が１．０ｍｍ以下となっているため、燃焼スペースがより確保されやすく、結果として、より一層の着火性の向上を図ることができる。

さらに、火花放電の起こりうる領域を考慮した場合、貴金属チップがない場合の接地電極と絶縁体先端部分との対向しあう面の総面積に比べ、断面積の小さい貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂの突出端と絶縁体２の先端部分との対向しあう面の総面積が小さくて済む。そのため、霧化の不十分な燃料が絶縁体２先端部分と貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂとの間に保持されてしまうといった事態を起こりにくくできる。その結果、燃料ブリッジの発生を抑制することができる。

併せて、貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂを突出させる構成としているため、その分だけ接地電極４Ａ，４Ｂの長さを短くできる。従って、接地電極４Ａ，４Ｂの受熱面積が減り、熱負荷を減少させることができる。さらには、接地電極４Ａ，４Ｂの重量低減も図られるため、振動が抑制され、耐電極折損性の向上を図ることもできる。

加えて、貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂの突出側端面の軸線方向における基端側端縁αと先端側端縁βとの間に、絶縁体２の先端面２ａを含む仮想平面γが位置している。つまり、貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂの突出側端面と、絶縁体２の先端面２ａとがほぼ同じ高さに位置している。上記のとおり、貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂはその厚みが１．０ｍｍ以下と薄いため、貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂの先端面と生じる気中放電の絶縁体２側の基点は、絶縁体２の先端面２ａ近傍となる。沿面放電による耐汚損性（清浄性）の向上のためには、先端面２ａよりも基端側に気中放電の基点、すなわち沿面放電の基点を設定することが望ましいが、一方ではチャンネリングや絶縁体２の貫通が生じやすくなるというデメリットもある。しかしながら、上記本実施形態の構成とすることで耐汚損性を向上させつつもチャンネリングを抑制ないしは低減することが可能となるのである。

次に、本実施形態の作用効果を確認するべく、各種条件を変更することで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。

先ず第１に、図１，２のスパークプラグ１００同等の概形を備え、貴金属チップの突出長のみを０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．６ｍｍ、０．８ｍｍ、１．０ｍｍと、種々異ならせたサンプル（スパークプラグ）を用意し、各サンプルについて失火数を計測し、その失火数と従来品（チップ無し、すなわち突出長０ｍｍ）の失火数との比率を計測した。尚、突出長以外については、幅１．５ｍｍ、厚さ０．８ｍｍのものを採用した。また、前記失火数の計測にあたっては、評価試験対象の各サンプル（スパークプラグ）を、ＤＯＨＣ直列６気筒、排気量２０００ｃｃのエンジンに取付け、リーン側の所定の空燃比とした上で、２０００ｒｐｍでエンジンを回転させたときの所定時間内の失火数を計測したものである。チップ突出ありのサンプルと従来品との失火数の比率を計算した結果を図５に示す。

図５に示すように、チップ突出長が０．２ｍｍであった場合は従来同等の失火数であったが、０．２ｍｍを超えたものでは、従来よりも失火数が少なくなる傾向が確認できた。このことから、貴金属チップの突出長が０．２ｍｍを超えると、燃焼スペースがより確保されやすくなり、着火性の向上を図ることができるといえる。

次に、貴金属チップの厚さを、０．５ｍｍ、０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．５ｍｍと、種々異ならせたサンプル（スパークプラグ）を用意し、各サンプルについて安定燃焼領域を計測し、当該領域と従来品（チップなし）の安定燃焼領域との比率を計測した。尚、厚さ以外については、幅１．５ｍｍとし、その突出長を０．４ｍｍとした。また、前記安定燃焼領域の計測にあたっては、評価試験対象の各サンプル（スパークプラグ）を、ＤＯＨＣ直列４気筒、排気量１８００ｃｃの直噴のエンジンに取付け、３０００ｒｐｍでエンジンを回転させ、点火時期と燃料噴射時期とを種々変更させたときの失火しない領域を面積として求めた。ここでは、失火しない領域は次のように算出した。まず点火時期を横軸に空燃比を縦軸にとり、点火時期と空燃比を種々変更して火花放電させ、正常に着火した場合をプロットする。これを繰り返し行うことにより着火する場合と失火する場合の境界を求めることができる。この求められた境界によって囲まれた面積を測定すればよい。チップ突出ありのサンプルと従来品との安定燃焼領域の広さの比率を計算した結果を図６に示す。

図６に示すように、チップの厚さが１．０ｍｍ以下の場合には、従来以上の安定燃焼領域の広さを得られることが確認できた。これにより、チップの厚さを１．０ｍｍ以下とすることで、燃焼スペースがより確保されやすく、着火性の向上を図ることができるといえる。また、燻りが生じやすい条件下でも燃焼が確保されるという観点からは、耐汚損性の向上も図ることができるといえる。

続いて、貴金属チップの幅を、絶縁体の先端面の軸孔径に対して３０％、５０％、８０％、１００％、１５０％、２００％と、種々異ならせたサンプル（スパークプラグ）を用意し、各サンプルについて安定燃焼領域を計測し、当該領域と従来品（チップなし）の安定燃焼領域との比率を計測した。尚、幅以外については、厚さ０．８ｍｍとし、その突出長を０．４ｍｍとした。また、前記安定燃焼領域の計測にあたっては、評価試験対象の各サンプル（スパークプラグ）を、ＤＯＨＣ直列４気筒、排気量１８００ｃｃの直噴のエンジンに取付け、３０００ｒｐｍでエンジンを回転させ、点火時期と燃料噴射時期とを種々変更させたときの失火しない領域を面積として求めた。この領域の算出方法は、前述のチップの厚さの安定燃焼領域の算出方法と同様である。チップ突出ありのサンプルと従来品との安定燃焼領域の広さの比率を計算した結果を図７に示す。但し、図７のグラフの横軸は、絶縁体の先端面の軸孔径に対するチップの幅の比率となっている。

図７に示すように、絶縁体の先端面の軸孔径に対するチップの幅の比率が５０％であった場合は従来同等の安定燃焼領域の広さであったが、５０％を超えたものは、従来よりも安定燃焼領域が広く得られることが確認できた。これにより、絶縁体の先端面の軸孔径に対するチップの幅の比率を５０％以上、特に５０％を超えたものとすることで、耐汚損性の一層の向上を図ることができるといえる。

なお、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、突出側端面が平坦面となっている貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂを採用しているが、図８（ａ）に示すように、例えば突出した先端面が絶縁体２（中心電極３）外周面に沿った凹状の曲面となっている貴金属チップ３１Ａ，３１Ｂを採用してもよい。この場合、貴金属チップ３１Ａ，３１Ｂの接地電極４Ａ，４Ｂ先端からの突出長は、幅方向側部の突出長と中央部の突出長との平均値を採用するのが望ましく、その平均値が０．２ｍｍを超える必要がある。

また、上記実施形態では、長手方向に断面形状が変化することのない接地電極４Ａ，４Ｂを採用しているが、図８（ｂ）に示すように、突出端側の幅がテーパ状に先細っている接地電極４１Ａ，４１Ｂを採用してもよい。このように構成することで、燃焼スペースがより確保されやすく、より一層の着火性の向上を図ることができる。

さらに、上記実施形態では、接地電極４Ａ，４Ｂの幅Ｗが貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂの幅ｗ１よりも大きいものとしているが、図８（ｃ）に示すように、より幅の小さい接地電極４２Ａ，４２Ｂを採用する場合には、貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂの幅と同じになっても何ら差し支えない。但し、この場合でも接地電極４２Ａ，４２Ｂの厚さよりも貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂの厚さの方が小さい必要がある。

（ｂ）上記実施形態では、貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂが接地電極４Ａ，４Ｂの軸線方向中央から突出している場合について具体化しているが、例えば図９（ａ）に示すように、接地電極４Ａ，４Ｂの軸線方向基端部から貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂが突出していてもよいし、図９（ｂ）に示すように、接地電極４Ａ，４Ｂの軸線方向先端部から貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂが突出していてもよい。

（ｃ）上記実施形態では、接地電極４Ａ，４Ｂが長手方向中間位置において中心電極３の先端部方向へ屈曲させられている場合について具体化しているが、例えば図９（ｃ）に示すように、軸線方向に延びる直棒状の（屈曲部を有しない）接地電極４３Ａ，４３Ｂを採用することもできる。この場合、貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂは、接地電極４３Ａ，４３Ｂの先端側面から突出することとなる。

（ｄ）絶縁体２の形状は必ずしも上記実施形態のものに限定されるものではない。従って、例えば図９（ｄ）に示すようにテーパ面２１を有し、先端側ほど先細り形状をなす絶縁体２２を採用してもよい。

（ｅ）また、図８（ｂ）では、突出端側の幅が先細っている接地電極４１Ａ，４１Ｂを例示しているが、図１０（ａ）に示すように、厚さ方向に先細っている（突出端側ほど薄肉の）接地電極４４Ａ，４４Ｂを採用してもよい。このように構成した場合でも、燃焼スペースがより確保されやすく、より一層の着火性の向上を図ることができる。

（ｆ）また、上記実施形態では、絶縁体２の先端面２ａと平行に突出する貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂを採用しているが、必ずしも平行でなくてもよい。例えば、図１０（ｂ）に示すように、先端側への延び量の大きい接地電極４５Ａ，４５Ｂを採用し、その先端から斜めに突出する貴金属チップ３２Ａ，３２Ｂを採用することもできる。この場合にも、燃焼スペースがより確保されやすく、より一層の着火性の向上を図ることができる。また、図１０（ｃ）に示すように、斜めに傾斜する接地電極４６Ａ，４６Ｂを採用し、その先端から斜めに突出する貴金属チップ３３Ａ，３３Ｂを採用することもできる。さらに、図１０（ｄ）に示すように、中心電極３の上部に貴金属部３ｂを設けることとしてもよい。

尚、上記図１０（ｃ）に示すような接地電極を屈曲させずに直棒状とした構成は、Ｍ１０以下の小径のスパークプラグを製造する際に特に優位である。前述のとおり、スパークプラグが小径になるにつれて、接地電極を屈曲させてその先端を中心電極へ指向させることが困難となる。この点、当該図１０（ｃ）に示す構成を採用すれば、製造過程における困難性を解決することが可能となるのである。

（ｇ）上記実施形態では直方体形状をなす貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂを例示しているが、例えば図１１（ａ）に示すように、突出端側ほど薄肉となっている貴金属チップ３４Ａ，３４Ｂを採用してもよい。

（ｈ）上記実施形態では、中心電極３の先端面３ａが絶縁体２の先端面２ａと略面一となっている。これに対し、図１１（ｂ）に示すように、先端面が絶縁体２の先端面２ａよりも突出している中心電極５１を用いてもよい。また、逆に、中心電極の先端面が絶縁体の先端面よりも基端側に位置していてもよい。

（ｉ）上記実施形態では、２本の接地電極４Ａ，４Ｂが中心電極３を挟んだ対称位置に設けられた構成となっている。これに対し、３本以上の接地電極が設けられていてもよい。また、沿面放電を行いうる前記各接地電極４Ａ，４Ｂとは別に、図１２に示すように、中心電極５２の先端面に自身の一側面が対向するとともに、軸線方向に沿う気中放電間隙を形成する平行接地電極４７を備えることとしてもよい。この場合、平行接地電極４７の先端側面と、中心電極５２の先端面との間で火花放電間隙４８が設けられることとなる。

（ｊ）上記（ｆ）の項でも述べたが、主体金具１のねじ部７のねじ径がＭ１０以下のものを積極的に用いることもできる。

従来、セミ沿面放電型のスパークプラグを構成しようとした場合、主体金具外周のねじ径がＭ１０以下と小径になるにつれて、接地電極先端を絶縁体先端面に沿わせるために曲げ加工等を行うことは、スペースの都合上事実上困難であった。これに対し、本実施形態のように貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂを突出させる構成を採用することで、主体金具１外周のねじ径がＭ１０以下と比較的小径であっても、セミ沿面放電を無理なく実現することが可能となる。

（ｋ）上記実施形態では接地電極４Ａ，４Ｂは、インコネル６００や６０１（登録商標）等のニッケル合金等で構成されていた。これに対し、内層及び外層の２層構造からなる接地電極を採用してもよい。この場合、外層を上記ニッケル合金で構成し、内層を、ニッケル合金よりも良熱伝導性金属（例えば銅を主体とする金属材料や、前記ニッケル合金よりも熱伝導性に優れる高純度ニッケル等）で構成することが例示される。中心電極３の本体部もまた、外層及び内層の２層構造を具備していてもよい。

（ｌ）上記実施形態において、絶縁体２は、自身の先端部側面と先端面２ａとが所定の曲率半径をもって連設されている（絶縁体２の先端部分が湾曲面となっている）。当該曲率半径Ｒと貴金属チップ１１Ａ，１１Ｂの厚さｔ１との関係において、
Ｒ≧０．２ｍｍ
ｔ１（ｍｍ）×Ｒ（ｍｍ）≦１
の関係を有している。曲率半径Ｒがあまりにも大きいと火花放電の位置がばらついてしまうおそれがあり、また、チップの厚さｔ１が大きくても同様に火花放電の位置はばらつく傾向にある。したがって、上記作用をより効果的に得るために、曲率半径Ｒとチップの厚さｔ１とを上記関係に設定する。

本実施形態のスパークプラグの全体構成を示す一部破断正面図である。 （ａ）は本実施形態のスパークプラグの主要部の構成を示す一部破断正面図であり、（ｂ）はさらにその要部の拡大図である。 スパークプラグを先端側からみた状態を示す平面図である。 接地電極の先端部を示す斜視図である。 貴金属チップの突出長に対する失火数比率の関係を示すグラフである。 貴金属チップの厚さに対する安定燃焼領域の広さの比率の関係を示すグラフである。 貴金属チップの幅に対する安定燃焼領域の広さの比率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中心電極及び接地電極の平面模式図である。 （ａ）〜（ｄ）は、別の実施形態における中心電極及び接地電極の一部破断正面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、別の実施形態における中心電極及び接地電極の一部破断正面図である。 （ａ），（ｂ）は、別の実施形態における中心電極及び接地電極の一部破断正面図である。 別の実施形態における中心電極及び接地電極の一部破断正面図である。

符号の説明

１…主体金具、２…絶縁体、３，５１，５２…中心電極、４Ａ，４Ｂ，４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂ，４４Ａ，４４Ｂ，４５Ａ，４５Ｂ，４６Ａ，４６Ｂ…接地電極、１１Ａ，１１Ｂ，３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ，３２Ｂ，３３Ａ，３３Ｂ，３４Ａ，３４Ｂ…貴金属チップ、６…軸孔、７…ねじ部。

Claims (10)

1. 軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、
   前記軸孔に挿設された中心電極と、
   前記絶縁体の外周に設けられ、自身の先端より前記絶縁体の先端面が突出するように配置された主体金具と、
   基端部が前記主体金具の先端面に固着された接地電極とを備えた内燃機関用スパークプラグであって、
   前記接地電極の先端部には、径方向に前記中心電極に向かって自身の先端部が突出する貴金属チップが固定されており、
   当該貴金属チップの先端部と前記中心電極の先端部との間に電圧が印加されて形成される火花放電経路は、前記貴金属チップの先端部の一部と前記絶縁体の先端部の一部とを基点とする気中放電経路と、前記絶縁体の先端部の一部と前記中心電極の一部とを基点として前記絶縁体の先端面に沿う沿面放電経路とから形成されており、
   前記貴金属チップの前記接地電極先端からの突出長が０．２ｍｍを超え、
   前記絶縁体は自身の先端部側面と先端面とが曲率半径Ｒをもって連設されており、前記貴金属チップの厚さｔ１との関係において、
   Ｒ≧０．２ｍｍ
   ｔ１（ｍｍ）×Ｒ（ｍｍ）≦１
   の関係を有していることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
2. 前記貴金属チップの前記接地電極先端からの突出長は５ｍｍ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。
3. 前記貴金属チップの厚さが１．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用スパークプラグ。
4. 前記貴金属チップの厚さが０．２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用スパークプラグ。
5. 前記貴金属チップの幅が、前記絶縁体の先端面の軸孔径の５０％以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグ。
6. 前記貴金属チップの幅が、前記絶縁体の先端面外径以下であることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関用スパークプラグ。
7. 前記貴金属チップの先端面のうち、
   最も軸線方向先端側に位置する先端側端縁は前記絶縁体の先端面よりも先端側に位置するとともに、最も軸線方向基端側に位置する基端側端縁は前記絶縁体の先端面よりも基端側に位置することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグ。
8. 前記貴金属チップの固定された接地電極が複数本設けられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグ。
9. 前記中心電極の先端面に自身の一側面が対向するとともに前記軸線方向に沿う気中放電間隙を形成する平行接地電極を備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグ。
10. 前記主体金具外周のねじ径がＭ１０以下であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグ。

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