JP4829329B2 - スパークプラグ - Google Patents
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Description
前記接地電極は、前記基端部から前記屈曲部を経て前記先端部に向かって延びる芯部と、前記基端部から前記屈曲部を経て前記先端部に向かって延びる伝熱部と、前記芯部及び前記伝熱部の外側で前記基端部から前記屈曲部を経て前記先端部まで延びる外層とを有して構成され、
前記外層は、耐熱性及び耐食性に優れた第1金属からなり、
前記伝熱部は、前記第1金属より熱伝導率が大きい第2金属からなり、
前記芯部は、前記第2金属より硬度が高い第3金属からなり、
前記第2金属は、前記第1金属及び前記第3金属より線熱膨張係数が大きいスパークプラグにおいて、
前記接地電極が延びる方向に直交する断面で前記接地電極を見た場合、少なくとも前記屈曲部の中間において、前記芯部の中心は前記伝熱部の中心よりも前記中心電極側に位置し、前記芯部は前記中心電極側に偏芯し、前記伝熱部は前記中心電極とは反対側に偏芯していることを特徴とする(請求項1)。
特に、第1発明のスパークプラグにおいて、接地電極が延びる方向に直交する断面で接地電極を見た場合、少なくとも屈曲部の中間において、芯部は中心電極側に偏芯し、伝熱部は中心電極とは反対側に偏芯している。これにより、伝熱部における中心電極と反対側の部位は、伝熱部における中心電極側の部位に対して断面積が確実に大きくなる。このため、このスパークプラグでは、伝熱部と芯部とがより効果的にバイメタルのように作用し、屈曲部の屈曲を一層強めようとする。
第2発明のスパークプラグは、主体金具に固定される基端部と、前記基端部と一体をなして屈曲された屈曲部と、前記屈曲部と一体をなして中心電極とともに火花放電ギャップを形成する先端部とからなる接地電極を備え、
前記接地電極は、前記基端部から前記屈曲部を経て前記先端部に向かって延びる芯部と、前記基端部から前記屈曲部を経て前記先端部に向かって延びる伝熱部と、前記芯部及び前記伝熱部の外側で前記基端部から前記屈曲部を経て前記先端部まで延びる外層とを有して構成され、
前記外層は、耐熱性及び耐食性に優れた第1金属からなり、
前記伝熱部は、前記第1金属より熱伝導率が大きい第2金属からなり、
前記芯部は、前記第2金属より硬度が高い第3金属からなり、
前記第2金属は、前記第1金属及び前記第3金属より線熱膨張係数が大きいスパークプラグにおいて、
前記接地電極が延びる方向に直交する断面で前記接地電極を見た場合、少なくとも前記屈曲部の中間において、前記芯部の中心は前記伝熱部の中心よりも前記中心電極側に位置し、前記伝熱部は前記中心電極側とその反対側との中央に位置し、前記芯部は前記中心電極側に偏芯していることを特徴とする(請求項2)。
このような構成である第2発明のスパークプラグでは、第1発明のスパークプラグと同様に、伝熱部の中心と芯部の中心とが一致する従来のスパークプラグと比較して、伝熱部と芯部とが熱膨張差によりいわゆるバイメタルのように作用し、屈曲部の屈曲を強めようとする。このため、このスパークプラグでは、接地電極が高温条件下で起き上がろうとする傾向を弱めることができる。
特に、第2発明のスパークプラグにおいて、接地電極が延びる方向に直交する断面で接地電極を見た場合、少なくとも屈曲部の中間において、伝熱部は中心電極側とその反対側との中央に位置し、芯部は中心電極側に偏芯している。これにより、伝熱部における中心電極と反対側の部位は、伝熱部における中心電極側の部位に対して断面積が大きくなる。このため、このスパークプラグでは、伝熱部と芯部とがより効果的にバイメタルのように作用し、屈曲部の屈曲をより強めようとする。
したがって、第2発明のスパークプラグは、第1発明のスパークプラグと同様に、接地電極の起き上がりを確実に抑制できる。
その結果、第1発明及び第2発明のスパークプラグは、細径化のために接地電極が小型化される場合でも、接地電極の起き上がりを抑制できるので、接地電極と中心電極との火花放電ギャップの変化を抑制して、特性に悪影響を生じないようにすることができる。なお、金属の硬度を表す尺度として、ビッカース硬さを採用できる。
(Z1×Hv1+Z3×Hv3)/S2×α2<1.5×107
という関係を有することが好ましい(請求項4)。
図1及び図2に示すように、実施例1のスパークプラグ100は、主体金具1、絶縁体2、中心電極3及び接地電極4等を備えている。なお、図1及び図2において、紙面下方が先端側であり、紙面上方が後端側である。
偏芯割合(%)=D1/D0×100
という式により算出される。
偏芯割合(%)=D2/D0×100>100
となり、偏芯割合(%)が100%より大きくなる。
試験例1−1では、図6の写真に示すように、ニッケル基合金のみで構成される無垢の略矩形断面軸体からなる接地電極を用いた。そして、この接地電極について、高温状態にした場合の熱応力分布をFEM熱応力解析により求めた。この接地電極は、特許文献1等に開示されている従来の構成よりもさらに単純な構成のものである。図6では、熱応力分布をモノクロの濃淡で示している。淡くなるほど、熱応力が高いことを示している。また、図6では、基端部及び屈曲部のみを表示し、先端部は表示していない。
試験例1−2では、図7の写真に示すように、芯部、伝熱部及び外層の3層構成である略矩形断面軸体からなる接地電極であって、芯部の中心と伝熱部の中心が一致しているもの(偏芯割合0%)を用いた。そして、この接地電極について、高温状態にした場合の熱応力分布をFEM熱応力解析により求めた。この接地電極は、特許文献1等に開示されている従来の構成のものである。図7では、図6と同様に、熱応力分布をモノクロの濃淡で示している。淡くなるほど、熱応力が高いことを示している。また、図7でも、基端部及び屈曲部のみを表示し、先端部は表示していない。
試験例1−2の偏芯割合0%の接地電極について、図8に示すように、FEM熱応力解析を開始する前と、FEM熱応力解析により雰囲気温度が1570°Cに到達した状態とにおける接地電極の形状変化をFEM解析により求めた。図8では、基端部及び屈曲部のみを表示し、先端部は表示していない。
試験例1−2の偏芯割合0%の接地電極について、伝熱部及び芯部の先端位置を変化させた場合に、先端部の温度がどの程度低下するかをFEM解析により求めた。解析条件として、接地電極の断面積(以下「電極断面積」という。)を3.5mm2、伝熱部の断面積を電極断面積の30%と設定した。また、図9に示すように、伝熱部及び芯部の先端位置が中心電極の軸線と一致する場合(図9において、伝熱部及び芯部の先端位置0mmの場合)において、接地電極の先端部の温度が850°Cとなるように、雰囲気温度を設定した。
試験例1−5では、偏芯割合0%の接地電極と、偏芯割合が0%より大きい接地電極とについて、起き上がり量を実際に測定した。偏芯割合が0%より大きい接地電極とは、実施例1のスパークプラグ100が備える接地電極4のことである。試験条件は、机上で1分間のバーナー加熱と1分間の冷却とを3000サイクル繰り替えすものであり、バーナー加熱時の接地電極の温度が850°Cとなるようにしている。この試験条件は、実機冷熱耐久100Hrに相当する。伝熱部及び芯部の先端位置は、中心電極の軸線と一致させている。電極断面積を3.5mm2(幅2.7mm×厚さ1.3mm)、2.4mm2(幅2.2mm×厚さ1.1mm)の2種類に設定した。なお、このような小さい断面積をもつ2種の接地電極は、主体金具1のねじ部7のねじ径がM12、M10等である小型(小径)のスパークプラグに適用され得る。また、伝熱部の断面積を接地電極の断面積の30%と設定した。
実施例2のスパークプラグは、実施例1のスパークプラグ100の芯部41を構成する第1金属を、純ニッケルより硬度が高い高強度ニッケル基合金(ハステロイB)に変更したものである。それ以外は、実施例1のスパークプラグ100と同一であるので、同一の構成に同一の符号を付して、説明を省略又は簡略する。
上述の試験例1−5では、「偏芯割合0%、芯部41の純ニッケルのビッカース硬さHv:125、伝熱部42のビッカース硬さHv:75、外層43のビッカース硬さHv:230、電極断面積:2.4mm2」とした接地電極について、実際に測定された起き上がり量が0.05mmであった。
実施例3のスパークプラグは、実施例1のスパークプラグ100と同一の構成を備え、さらに、外層43の断面係数をZ1、芯部41の断面係数をZ3、外層43のビッカース硬さをHv1、芯部41のビッカース硬さをHv3、伝熱部42の断面積をS2、伝熱部42の線熱膨張係数をα2とし、
(Z1×Hv1+Z3×Hv3)/S2×α2<1.5×107 … 式1
という関係を有するものである。それ以外は、実施例1のスパークプラグ100と同様であるので、同一の構成に同一の符号を付して、説明を省略又は簡略する。
「外層43の断面係数:Z1、芯部41の断面係数:Z3、外層43のビッカース硬さ:Hv1、芯部41のビッカース硬さ:Hv3、伝熱部42の断面積:S2、伝熱部42の線熱膨張係数:α2」とした偏芯割合0%の接地電極として、表1に示す5種類の試験品3−1〜3−5を用意した。
実施例4のスパークプラグでは、図12(a)及び(b)に示すように、接地電極4が延びる方向に直交し、かつ屈曲部4Bの中間に位置する断面(図2のIII−III断面)で接地電極4を見た場合、伝熱部42の図形中心C2は、外層43の図形中心C3に対して中心電極3とは反対側に位置している。一方、芯部41の図形中心C1は、伝熱部42の図形中心C2及び外層43の図形中心C3に対して中心電極3側に位置している。すなわち、芯部41は中心電極3側に偏芯し、伝熱部42は中心電極3とは反対側に偏芯している。なお、図12(a)及び(b)に示すように、芯部41の断面積は、伝熱部42の断面積に対して小さくてもよいし、大きくてもよい。
参考例1のスパークプラグでは、図13に示すように、伝熱部42の図形中心C2は、外層43の図形中心C3に対して中心電極3とは反対側に位置している。一方、芯部41の図形中心C1は、外層43の図形中心C3と一致している。すなわち、芯部41は中心電極3側とその反対側との中央に位置し、伝熱部42は中心電極3とは反対側に偏芯している。
参考例2のスパークプラグでは、図14に示すように、伝熱部42の図形中心C2は、外層43の図形中心C3に対して中心電極3側に位置している。一方、芯部41の図形中心C1は、伝熱部42の図形中心C2及び外層43の図形中心C3に対して中心電極3側に位置している。
参考例3のスパークプラグでは、図15(a)及び(b)に示すように、伝熱部42の図形中心C2は、外層43の図形中心C3に対して中心電極3とは反対側に位置している。一方、芯部41の図形中心C1は、外層43の図形中心C3に対して中心電極3側とは反対側に位置しているが、伝熱部42の図形中心C2に対しては中心電極3側に位置している。
図16に、参考例4のスパークプラグを示す。このスパークプラグでは、伝熱部42の図形中心C2は、外層43の図形中心C3に対して中心電極3側に位置している。一方、芯部41の図形中心C1は、外層43の図形中心C3に対して中心電極3側に位置しているが、伝熱部42の図形中心C2に対しては中心電極3とは反対側に位置している。
第1工程では、図17(a1)及び(a2)に示すように、上記第3金属からなる芯部用基体110Aと、上記第2金属からなる伝熱部用基体120Aとを有する第1中間部材140Aを作成する。図17(a1)は、第1中間部材140Aの正面図であり、図17(a2)は第1中間部材140Aの断面図である。
第2工程では、図17(c1)に示すように、上記第1金属からなり、円穴形状の凹部131を有するカップ状の外層用基体130を用意する。そして、外層用基体130の凹部131に、図17(a2)に示す第1中間部材140Aを封入することにより、図17(c2)に示す第2中間部材150Aを作成する。また、層用基体130の凹部131に、図17(b2)に示す第1中間部材140Bを封入することにより、図17(c2)に示す第2中間部材150Bを作成してもよい。
第3工程では、図17(d)に示すように、第2中間部材150Aを押出し成形する。すなわち、第2中間部材150Aの先端部を先頭にして、第2中間部材150Aを矩形状のダイス穴を有するダイス191内にパンチ192により挿入する。これにより、断面形状が矩形状の角柱部161と、この角柱部161の後端側に連続する外径の大きい円形状の円柱部162とを有する押出成形体160が形成される。この押出成形体160の断面は、例えば、図3に示すような断面となる。図示は省略するが、第2中間部材150Bを押出し成形して、押出成形体を形成する場合も同様である。この場合における押出成形体の断面は、例えば、図12に示すような断面となる。
3…中心電極
4…接地電極
4A…基端部
4B…屈曲部
4C…先端部
41…芯部
42…伝熱部
43…外層
100…スパークプラグ
g…火花放電ギャップ
C1…芯部の中心
C2…伝熱部の中心
Claims (6)
- 主体金具に固定される基端部と、前記基端部と一体をなして屈曲された屈曲部と、前記屈曲部と一体をなして中心電極とともに火花放電ギャップを形成する先端部とからなる接地電極を備え、
前記接地電極は、前記基端部から前記屈曲部を経て前記先端部に向かって延びる芯部と、前記基端部から前記屈曲部を経て前記先端部に向かって延びる伝熱部と、前記芯部及び前記伝熱部の外側で前記基端部から前記屈曲部を経て前記先端部まで延びる外層とを有して構成され、
前記外層は、耐熱性及び耐食性に優れた第1金属からなり、
前記伝熱部は、前記第1金属より熱伝導率が大きい第2金属からなり、
前記芯部は、前記第2金属より硬度が高い第3金属からなり、
前記第2金属は、前記第1金属及び前記第3金属より線熱膨張係数が大きいスパークプラグにおいて、
前記接地電極が延びる方向に直交する断面で前記接地電極を見た場合、少なくとも前記屈曲部の中間において、前記芯部の中心は前記伝熱部の中心よりも前記中心電極側に位置し、前記芯部は前記中心電極側に偏芯し、前記伝熱部は前記中心電極とは反対側に偏芯していることを特徴とするスパークプラグ。 - 主体金具に固定される基端部と、前記基端部と一体をなして屈曲された屈曲部と、前記屈曲部と一体をなして中心電極とともに火花放電ギャップを形成する先端部とからなる接地電極を備え、
前記接地電極は、前記基端部から前記屈曲部を経て前記先端部に向かって延びる芯部と、前記基端部から前記屈曲部を経て前記先端部に向かって延びる伝熱部と、前記芯部及び前記伝熱部の外側で前記基端部から前記屈曲部を経て前記先端部まで延びる外層とを有して構成され、
前記外層は、耐熱性及び耐食性に優れた第1金属からなり、
前記伝熱部は、前記第1金属より熱伝導率が大きい第2金属からなり、
前記芯部は、前記第2金属より硬度が高い第3金属からなり、
前記第2金属は、前記第1金属及び前記第3金属より線熱膨張係数が大きいスパークプラグにおいて、
前記接地電極が延びる方向に直交する断面で前記接地電極を見た場合、少なくとも前記屈曲部の中間において、前記芯部の中心は前記伝熱部の中心よりも前記中心電極側に位置し、前記伝熱部は前記中心電極側とその反対側との中央に位置し、前記芯部は前記中心電極側に偏芯していることを特徴とするスパークプラグ。 - 前記接地電極が延びる方向に直交する断面で前記接地電極を見た場合、前記伝熱部の中心と前記芯部の中心とが一致している状態を偏芯割合0%とし、前記芯部が前記外層と接した状態を偏芯割合100%としたとき、
前記芯部の偏芯割合は50%以上である請求項2記載のスパークプラグ。 - 前記外層の断面係数をZ1、前記芯部の断面係数をZ3、前記第1金属のビッカース硬さをHv1、前記第3金属のビッカース硬さをHv3、前記伝熱部の断面積をS2、前記第2金属の線熱膨張係数をα2とし、
(Z1×Hv1+Z3×Hv3)/S2×α2<1.5×107
という関係を有する請求項2又は3記載のスパークプラグ。 - 前記第3金属の硬度は前記第1金属の硬度より高く、前記第1金属の硬度は前記第2金属の硬度より高い請求項1乃至4のいずれか1項記載のスパークプラグ。
- 前記接地電極が延びる方向に直交する断面で前記接地電極を見た場合、前記屈曲部の全域において位置関係が成立している請求項1乃至5のいずれか1項記載のスパークプラグ。
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