JP5208033B2

JP5208033B2 - スパークプラグ

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Publication number: JP5208033B2
Application number: JP2009081862A
Authority: JP
Inventors: 伸一岡部; 憲端無
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: JP2010238377A

Description

本発明は、内燃機関の点火に用いられるスパークプラグに関するもので、特に燃焼室内に強力な筒内気流が発生する過給気混合燃焼機関に好適なものである。

従来、自動車エンジン等の内燃機関の点火には、長軸状に形成した中心電極と、その外周を覆う略筒状の絶縁碍子と、該絶縁碍子を覆う略筒状のハウジングと、該ハウジングに延設して上記中心電極に対して所定の放電ギャップを設けて対向する接地電極とを具備し、高電圧の印加により上記中心電極と上記接地電極との間に火花放電を発生させて点火を行うスパークプラグが広く用いられている。
近年、内燃機関の高出力化、小型化が進み、燃焼室内におけるバルブ占有面積が増大し、スパークプラグの搭載スペースが狭小化する傾向にある。また、燃焼室内に噴射された燃料と圧縮空気との混合状態を良好にして、さらなる燃費低減を図るべく、タンブル渦等の燃焼室内に発生する筒内気流を強化する傾向にあり、高過給気化に伴い燃焼室内の温度も高温化する傾向にある。
しかし、小型化により、中心電極とハウジングとの電気絶縁を確保する絶縁碍子の肉厚が薄くなると、絶縁碍子の耐電圧が不十分となる。このため、中心電極とハウジング下端面との間で放電が起こる、いわゆる横飛びと言われる現象を生じやすくなる虞がある。
一方、筒内気流の強化により着火性が低下するためスパークプラグにはより安定した着火を実現すべくより強力な火花放電が望まれる。

特許文献１には、先端に高融点金属チップが固着された中心電極と、その外側を覆う軸状の絶縁体と、両端が開放する筒状に形成され、中心電極の外側に配置される主体金具と、その主体金具に基端側が結合されると共に速報に曲げ返されて側面が中心電極先端の前記高融点金属チップと対向し、該高融点金属チップとの間に火花ギャップを形成する接地電極とを備え、前記主体金具の外周面に取付けネジ部が形成されると共に、そのネジ部の外径と前記主体金具の開口端における絶縁体の厚さを特定の範囲とすることにより絶縁体の耐電圧を高くして横飛び発生を防止したスパークプラグについて開示されている。
また、特許文献２には、内燃機関に装着され、中心電極と、前記中心電極の間で放電火花を形成する接地電極を有し前記中心電極の外周に配置された円環状のハウジングと、前記中心電極と前記ハウジングとの間に設けられ前記中心電極と前記ハウジングとの電気的絶縁をなす絶縁碍子と、を備えた内燃機関用スパークプラグにおいて、前記ハウジングの端面部の外径面に、前記内燃機関の燃焼室内の混合気のタンブル渦気流を前記燃焼室の内部中央部方向へ制御する整流手段をなすテーパ面部を設けて、燃焼室内の混合気のタンブル渦気流の方向を整流手段によって安定化させると共に、放電火花の流れ方向を安定化させ、燃焼質内の強力な筒内気流に晒されても着火不良を起こすことなく良好な点火を実現できるスパークプラグが開示されている。

特許文献１にあるような従来のスパークプラグでは、燃焼室内に長く突出する中心電極の耐久性を高めるべく、中心電極の先端にＩｒ等の高融点金属を用いて所定の外径範囲に形成した耐熱性の高い放電用チップが形成されている。その結果、中心電極を細くすることが可能となりその分絶縁碍子の肉厚を増加させたり、ハウジングと絶縁碍子先端との間隙を広く設けたりして、火花の横飛びの抑制を図っている。また、中心電極が細径となっているので熱引きが低下し、着火性の向上が期待される。しかし、その反面、接地電極の表面温度も高くなり易い。
このため、高負荷運転域においては、エンジン制御装置からの点火信号に従って中心電極と接地電極との間に高電圧が印加されたときに両電極間に発生する火花放電ではなく、温度の高くなった接地電極の表面で混合気が着火される過早熱面着火（プレイグニッション、又は、プレイグとも称される。）と呼ばれる現象が起こりやすくなる虞がある。
また、特許文献２にあるような従来のスパークプラグでは、実際のエンジンにスパークプラグを取り付ける際に、燃焼室内に発生する筒内気流の流れ方向に対して必ずしも一定の方向を維持して取り付けられるわけではない。
このため、接地電極が筒内気流の上流側に位置する場合と下流側に位置する場合とでは、高温化した接地電極に接触する混合気の流速に大きな差が生じて、プレイグが発生する場合と発生しない場合とがあり、点火装置としての信頼性が低下する虞があることが判明した。

本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、高負荷運転域において接地電極の過熱による過早熱面着火を抑制すると共に低負荷運転域又は中負荷運転域における希薄燃焼や燃焼室内に強力な筒内気流が存在する場合などの、着火性の低い状態においても安定した混合気への着火性を実現する信頼性の高いスパークプラグを提供する。

第１の発明は、内燃機関に装着され、長軸状に形成した中心電極と、その外周を覆う略筒状の絶縁碍子と、該絶縁碍子を覆う略筒状のハウジングと、該ハウジングに延設して上記中心電極に対して所定の放電ギャップを設けて対向する接地電極とを具備し、上記中心電極と上記接地電極との間に高電圧を印加して火花放電を発生させて上記内燃機関の点火を行うスパークプラグであって、上記内燃機関の燃焼室内に露出する上記ハウジングの先端部を上記絶縁碍子の先端部を略環状に覆うように突設しつつ、その外周面の少なくとも一部を上記燃焼室内に流れる筒内気流を整流して所望の方向へ案内する整流手段となしたスパークプラグにおいて、該スパークプラグの中心軸上に配設せしめた上記中心電極に対向する上記接地電極の先端を上記中心軸に対して所定の偏心角θ_ＯＦＳをもって上記ハウジングの基端側に偏心せしめると共に、上記整流手段は、上記ハウジングの先端部の外周面において、少なくとも、上記接地電極の接続された接地電極側斜面の傾斜角θ_１を、上記接地電極の接続されていない反接地電極側斜面の傾斜角θ_２よりも大きい角度となしたことを特徴とする。（請求項１）。

第１の発明によれば、上記接地電極の先端が上記ハウジング側へ近づくように配設されているので、従来の中心電極の中心軸上に接地電極の先端が位置する場合に比べ相対的に接地電極の表面温度が低くなる。加えて、上記内燃機関に対してスパークプラグの取付け状態の如何によって、上記接地電極が筒内気流に対して上流側となった場合には、相対的に大きな傾斜角θ_１を有する上記接地電極側傾斜面に沿って、上記接地電極の先端部に到達し、上記接地電極が筒内気流に対して下流側となった場合には、相対的に小さな傾斜角θ_２を有する上記反接地電極側傾斜面に沿って、上記接地電極の先端部に到達する。
上記接地電極が上流側となる場合には、傾斜角θ_１が相対的に大きくても上記整流手段外周面から上記接地電極先端までの距離が相対的に短いので上記筒内気流の流速が大幅に減速されることがなく、上記接地電極が下流側となる場合には、上記整流手段外周面から上記接地電極先端までの距離が相対的に長くても傾斜角θ_２が相対的に小さいので上記筒内気流の流速が大幅に減速されることがない。したがって、点火プラグの取付け状態に関わらず、筒内気流が接地電極先端に向かうように整流される。
このため、低負荷運転域や中負荷運転域では、希薄な混合気が常に火花放電の発生する上記中心電極と上記接地電極との間に送られるので安定した着火が実現できる。また、高負荷運転域では、強い筒内気流が比較的高い流速を維持して上記接地電極表面上を通過するので、上記接地電極の表面が比較的高い温度であっても、熱面着火することなく、エンジン制御装置から適切な点火時期に発信される点火信号に従って発生する火花放電によってのみ点火される。
したがって、本発明によれば、上記内燃機関への取付け状態によらず、常に過早熱面着火を抑制すると共に安定した着火を実現可能なスパークプラグを提供できる。

第２の発明は、上記ハウジングの先端部の外周面を、上記中心電極の先端と上記接地電極の先端とを結ぶ直線上の一点を仮想頂点とする円錐の斜面の一部となしたことを特徴とする（請求項２）。

本発明によれば、上記スパークプラグの上記接地電極が上記燃焼室内を流れる筒内気流に対して任意の取付け位置においても、上記接地電極が上記筒内気流に対して上流側に取り付けられていようと下流側に取り付けられていようと、上記筒内気流は上記仮想頂点に向かって流れるように整流されるので、大幅に流速を低下させることなく整流可能となる。したがって、強力な筒内気流が発生する内燃機関においても優れた着火性を発揮すると共に、過早熱面着火を抑制する信頼性の高いスパークプラグが実現できる。

第３の発明は、上記接地電極は、上記ハウジングに接続された接地電極基端部から上記燃焼室内に伸び、略Ｌ字形の屈曲部を設けて上記接地電極の先端側を上記中心電極に対向せしめたことを特徴とする。（請求項３）。

本発明によれば、上記中心電極と上記接地電極との間に形成される空間が上記屈曲部によって広がり、両電極間に生じた火花放電により発生した容積的に小さく、低いエネルギ状態の初期火炎核が上記接地電極の上記基端部に接触して該基端部に熱エネルギを奪われ消炎されることなく、ある程度火炎成長した状態となってから上記屈曲部に接触するので、安定した状態で火炎成長するので失火の虞がない。したがって、さらに信頼性の高いスパークプラグを提供できる。

（ａ）は、内燃機関に装着された状態における本発明のスパークプラグの概要を示す半断面図、（ｂ）は、本発明の要部を示す斜視図。（ａ）は、本発明のスパークプラグの下面図、（ｂ）は、要部拡大断面図、（ｃ）は、本発明の要部であるハウジング下端面の傾斜角の変化を示す特性図。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の異なる取付け状態における本発明のスパークプラグの効果を示す要部拡大図。本発明のスパークプラグにおける着火性向上に対する効果を（ａ）から（Ｃ）の順を追って示す説明図。（ａ）から（ｄ）は、比較例として示す本発明の要件の一部を欠くスパークプラグの要部拡大図。（ａ）から（ｅ）は、本発明の実施例と比較例との効果の違いを示す要部模式図であり、左側には、接地電極が筒内気流の下流側に配設された場合を示し、右側には、接地電極が筒内気流の上流側に配設された場合を示す。（ａ）は、本発明のスパークプラグの熱面着火発生率に対する効果を比較例と共に示す特性図、（ｂ）は、本発明のスパークプラグの燃焼限界空燃比に対する効果を比較例と共に示す特性図。（ａ）は、本発明のスパークプラグの傾斜面の変形許容範囲を示す要部拡大図、（ｂ）は、本発明のスパークプラグの接地電極位置の変形許容範囲を示す要部拡大図。（ａ）は、本発明のスパークプラグの変形例を示す要部拡大図、（ｂ）は、本発明のスパークプラグの他の変形例を示す要部拡大図。発明のスパークプラグの、また、別の変形例を示す要部拡大図。本発明のスパークプラグの、また、別の変形例を示し、（ａ）は下面図、（ｂ）はその斜視図。

本発明は、自動車エンジン等の内燃機関の点火に用いられるスパークプラグであって特に、燃焼室内にタンブル渦等の強い筒内気流が発生する過給気混合内燃機関の点火に用いられ、過早熱面着火（プレイグニッション）の抑制に優れたスパークプラグである。なお、以下の説明において図の上方を基端側、図の下方を先端側又は燃焼室側と称す。

本発明の第１の実施形態におけるスパークプラグ１の概要について、図１を参照して説明する。なお、図１（ａ）は、内燃機関４０に装着された状態におけるスパークプラグ１の半断面図、（ｂ）は、本発明の要部を示すスパークプラグ１の下面斜視図である。
内燃機関４０は、エンジンヘッド４１と図略の略筒状のシリンダと該シリンダ内に可動に収納されたピストン４２とによって構成され、エンジンヘッド４１の内壁とシリンダの内周壁とピストン４２の頂面とによって燃焼室４００が区画されている。エンジンヘッド４１には吸気バルブ４１１によって開閉される吸気筒４１０と排気バルブ４２１によって開閉される排気筒４２０とが形成され、図略の燃料噴射装置から燃焼室４００内に噴射された燃料と吸気筒４１０から燃焼室４００内に導入された空気をピストン４２によって圧縮し、所定の点火時期に本発明のスパークプラグ１によって混合気の点火を行う。

スパークプラグ１は、内燃機関４０のエンジンヘッド４１に穿設されたプラグホール４５０内に載置され、先端部を機関燃焼室４００内に露出した状態で固定されている。
スパークプラグ１は、略筒状に形成された絶縁碍子２０と、絶縁碍子２０に設けた軸孔に挿入固定された略長軸状の中心電極１０と、絶縁碍子２０をその内部に収納しつつ内燃機関４０のシリンダヘッド４１に固定するハウジング３０と、ハウジング３０の先端に延設して設けられた接地電極３１とによって構成されている。

中心電極１０は、例えば内材としてＣｕ等の熱伝導性に優れた金属材料が用いられ、外材としてＮｉ基合金等の耐熱性及び耐食性に優れた金属材料が用いられて長軸状に形成されている。中心電極１０は、その先端面を絶縁碍子２０から燃焼室４００内に露出するように設けられている。さらに中心電極１０先端面には、耐熱性の高いイリジウム合金や特殊なＮｉ合金からなる中心電極放電チップ１０１が燃焼室４００側に向かって突出して設けられている。
中心電極１０の基端側には、絶縁碍子２０の軸孔内部において、中心電極１１と導電性のガラスシールを介して電気的に接続された長軸状のステム１１が設けられている。さらにその基端側には、碍子頭部２５から露出し、外部の図略の点火装置に接続される中心電極端子部１２が形成されている。

絶縁碍子２０は、高純度アルミナ等の耐熱性、絶縁性に優れたセラミックス材料を用いて略筒状に形成されている。絶縁碍子２０の軸孔には略長軸状に形成された中心電極１０及びステム１１が挿入・固定されている。絶縁碍子２０の中腹には径大となる係止部２２、２３、２４が形成され、ハウジング３０の内側に設けられたハウジング係止部３５に係止されると共に、封止部材を介してハウジング加締め部３６によって加締め固定されている。
絶縁碍子２０の先端部２１は燃焼室４００に露出しつつ、ハウジング３０の先端に設けられた本発明の要部である略環状に形成された整流部３２によってその外側が取り囲まれている。
絶縁碍子２０の基端側は、ハウジング３０の加締め部３６から露出する碍子頭部２５が設けられている。碍子頭部２５は、コルゲート状に形成され中心電極端子部１２とハウジング３０との表面距離を長くして沿面リークを防止している。

ハウジング３０は、例えば、導電性の低炭素鋼等の高耐熱性金属材料を用いて略筒状に形成されている。ハウジング３０の先端側は中心電極１０の側面に絶縁体２０を介して対向する側面電極３３を形成している。側面電極３３の外周面には、エンジンヘッド４１に設けられたねじ穴に固定するためのネジ部３４が設けられている。ネジ部３４の先端側にはエンジンヘッド４１の内壁を基準面として燃焼室４００内に露出する略環状のシュラウド部３２が突設されている。シュラウド部３２の外周面３２０は本発明の要部であり筒内気流整流手段として、中心電極放電チップ１０１の先端と接地電極放電チップ３１０の先端とを結ぶ直線上の点を仮想頂点Ｐとする円錐の斜面の一部を形成している。
ハウジング３０の中腹内周は先端側に向かって径小となる係止部３５、３６が形成され、内側に絶縁碍子２０の係止部２２、２３が係止され、基端側には加締め部３６が形成され、封止部材を介して絶縁碍子２０の係止部２４を覆うように加締め固定している。
ハウジング３０の基端側外周にはネジ部３４を締めつけるためのナット部３７が形成されている。ネジ部３４は、エンジンヘッド４１に設けられたネジ穴にガスケット３９を介して螺結される。

ハウジング３０のシュラウド部３２に沿設して、接地電極３１が形成されている。接地電極３１は、例えばＮｉを主成分とするＮｉ基合金等を用いて断面略角柱形状に形成されている。
接地電極３１は、燃焼室４００側に突出しつつ略Ｌ字状に形成され、接地電極放電チップ３１０の先端と中心電極放電チップ１０１の先端とを結ぶ直線が中心電極１０の中心軸Ｃ／Ｌに対して所定の偏心角度θ_ＯＦＳをなすように形成されている。、また、火花放電ギャップＧの大きさは、例えば１ｍｍ程度にすることができる。なお、中心電極放電チップ１０１及び接地電極放電チップ３１０は、例えば、Ｉｒ（イリジウム）合金やＰｔ（白金）合金等からなり、それぞれ中心電極１１及び接地電極３１の先端の中心電極１０１に対向する表面上にレーザ溶接や抵抗溶接等にて接合されている。

図２を参照して、本発明の要部であるシュラウド部３２及び接地電極３１について詳述する。図２（ａ）は、シュラウド部３２及び接地電極３１を燃焼室４００側から見た下面図であり、（ｂ）は、その断面図、（ｃ）は、シュラウド部３２の斜面の傾斜角３２０（ψ）の変化を示す特性図である。
シュラウド部３２は、図２（ｂ）中に太い一点破線で示したエンジンヘッド４１の内壁を基準面とし、先端縁ＥＤＧ_３２までの長さＬだけ燃焼室４００内に突出している。
シュラウド部３２の傾斜面は図２（ｂ）中に太い点線で示した仮想頂点Ｐを頂点とする円錐ＣＯＮ_３２の斜面の一部をなすように形成されている。
接地電極３１の接続されている側の傾斜面を接地電極側傾斜面３２１として、接地電極３１の接続された位置に対向する側の傾斜面を反接地電極側傾斜面３２２とし、接地電極側傾斜面３２１における先端縁ＥＤＧ_３２との傾斜角度を接地電極側傾斜角θ₁とし、反接地電極側傾斜面３２２における先端縁ＥＤＧ_３２との傾斜角度を反接地電極側傾斜角θ₂とし、接地電極側傾斜面３２１を原点として、先端縁ＥＤＧ_３２の円周方向の任意の角度ψにおける仮想頂点Ｐに向かう傾斜角３２０（ψ）とすると、傾斜角３２０（ψ）は、図２（ｃ）に示すように、接地電極側傾斜角θ_１から反接地電極側傾斜角θ_２まで直線的に変化するように形成されている。
また、図２（ｂ）に示すように、接地電極３１は、基端部３１３がハウジング３０のシュラウド部３２の傾斜面３２２に溶接などにより固定され、燃焼室４００内に突出するように伸び、さらに中間部３１２において中心電極１０に設けた中心電極放電チップ１０１に向かうように、曲線状、又は、略Ｌ字状に曲げられている。
接地電極３１の先端側で中心電極放電チップ１０１に対向する表面３１１には、中心電極放電チップ１０１と所定の放電ギャップＧを隔てて中心電極放電チップ１０１に向かって突出する接地電極放電チップ３１０が設けられている。
接地電極３１の先端位置は、従来のように中心電極１０の中心線Ｃ／Ｌ上で接地電極３１の先端側表面３１１が中心電極１０に対向するのではなく、接地電極放電チップ３１０の先端と中心電極放電チップ１０１の先端とを結ぶ直線が中心電極１０の中心軸Ｃ／Ｌに対して所定の偏心角度θ_ＯＦＳをなすように形成されている。

本発明の効果について、図３及び図４を参照して説明する。図３は、接地電極３１の表面温度分布と燃焼室４００内に流れる筒内気流の状態を模式的に示し、（ａ）は、接地電極３１が筒内気流ＴＭＢに対して下流側（ＥＸ側）に取り付けられた場合を示し、（ｂ）は、接地電極３１が筒内気流ＴＭＢを側面に受ける位置に取り付けられた場合を示し、（ｃ）は、接地電極３１が筒内気流ＴＭＢの上流側（ＩＮ側）に取り付けられた場合を示す。図４は、火花放電の発生から火炎の成長する様子を（ａ）から（ｃ）の順を追って模式的に示したものである。

本発明の基本構成として、接地電極３１の先端が基端側にオフセットされているので、燃焼室４００内への突出長さが比較的短くなるため接地電極の表面の温度は従来よりも低くなる。
加えて、図３（ａ）に示すように、接地電極３１が筒内気流ＴＭＢの下流側（ＥＸ側）となった場合には、筒内気流ＴＭＢが反接地電極傾斜面３２２によって仮想頂点Ｐに向かって緩やかに方向を変更され整流されるので、流速をほとんど失うことなく、表面温度の最も高い接地電極３１の先端側に接触する。したがって、高負荷運転域において、比較的接地電極の表面温度が高くなっても、混合気の流速が高いので、早期熱面着火を生じる虞がない。
また、（ｂ）に示すように、接地電極３１が側面方向から筒内気流ＴＭＢが当たる場合においても、筒内気流ＴＭＢが傾斜面３２３によって仮想頂点Ｐに向かって緩やかに方向を変更され整流されるので、流速をほとんど失うことなく、表面温度の最も高い接地電極３１の先端側に接触する。したがって、高負荷運転域において、比較的接地電極の表面温度が高くなっても、混合気の流速が高いので、過早熱面着火を生じる虞がない。
さらに、（ｃ）に示すように、接地電極３１が筒内気流ＴＭＢに上流側（ＩＮ側）となった場合には、高い流速の筒内気流ＴＭＢが接地電極３１に衝突すると共に、接地電極３１の基端部３１３の周囲を流れる筒内気流ＴＭＢは、接地電極側斜面３２１によって仮想頂点Ｐに向かって緩やかに方向を変更され整流されるので、流速をほとんど失うことなく、表面温度の最も高い接地電極３１の先端側に接触する。したがって、高負荷運転域において、比較的接地電極の表面温度が高くなっても、混合気の流速が高いので、過早熱面着火を生じる虞がない。
したがって、本発明によれば、スパークプラグ１の取付け方向によらず、常に、筒内気流が高い流速を維持した状態で仮想頂点Ｐに導かれ、高い流速を保った状態で最も温度の高い接地電極３１の先端表面に到達するので過早熱面着火を生じ難くなる。

本発明の着火性向上に対する効果について図４を参照して説明する。
中心電極１０と接地電極３１との間に高電圧が印加されると、図４（ａ）に示すように、中心電極放電チップ１０１と接地電極放電チップ３１０との間に火花放電が発生し、シュラウド部３２の傾斜面によってこの放電経路途中に存在する仮想頂点Ｐに向かって整流された筒内気流ＴＭＢと共に、混合気が火花放電の中心に運ばれ、初期火炎核が発生する。このとき、接地電極３１には、屈曲部３１２が形成されているので、中心電極１０と接地電極３１との間には、比較的広い空間が形成されている。このため、比較的低エネルギの初期火炎核が接地電極３１に接触してエネルギを奪われる虞がなく、本図（ｂ）に示すように、仮想頂点Ｐに向かうように整流された筒内気流ＴＭＢと共にさらに混合気が初期火炎核に供給し、比較的安定した火炎核に成長した段階で接地電極３１に接触するため消炎されることなく、火炎核が成長を続ける。さらに、本図（ｃ）に示すように、筒内気流ＴＭＢによって次々と混合気が火炎核に供給され火炎核が大きく成長しつつ筒内気流によって下流側（ＥＸ側）に運ばれ、混合気の燃焼爆発が引き起こされる。

本発明のスパークプラグによれば、低負荷運転域や中負荷運転域では、過早頂点Ｐに向かうように整流された筒内気流ＴＭＢによって希薄な混合気が常に火花放電の発生する中心電極１０と接地電極３１との間に送られるので安定した着火が実現できる。
また、高負荷運転域では、強い筒内気流ＴＭＢが比較的高い流速を維持して接地電極３１の表面上を通過するので、接地電極３１の表面が比較的高い温度であっても、熱面着火することなく、エンジン制御装置から適切な点火時期に発信される点火信号に従って発生する火花放電によってのみ点火される。

図５に本発明の要件の一部を備えていない構成を比較例として示す。
本図（ａ）に、比較例１として示すスパークプラグ１ｗでは、シュラウド部３２ｗは、略環状で、テーパ部が形成されておらず、接地電極３１ｗは略Ｌ字状に湾曲されているが中心電極放電チップ１０１ｗと接地電極放電チップ３１０ｗとは、中心軸Ｃ／Ｌ上で対向しており、オフセットされていない。
本図（ｂ）に、比較例２として示すスパークプラグ１ｘでは、シュラウド部３２ｘには、全周に渡って同一の傾斜角を設けて形成したテーパ部が形成してあり、接地電極３１ｘは略Ｌ字状に湾曲されているが中心電極放電チップ１０１ｘと接地電極放電チップ３１０ｘとは、中心軸Ｃ／Ｌ上で対向しており、オフセットされていない。
本図（ｃ）に、比較例３として示すスパークプラグ１ｙでは、シュラウド部３２ｙは、略環状で、テーパ部が形成されておらず、接地電極３１ｙは略Ｌ字状に湾曲されており、中心電極放電チップ１０１ｙと接地電極放電チップ３１０ｙとは、中心軸Ｃ／Ｌに対して所定の傾斜角度θ_ＯＦＳを設けた状態で対向している。
本図（ｄ）に比較例４として示すスパークプラグ１ｚでは、シュラウド部３２ｚには、全周に渡って同一の傾斜角を設けて形成したテーパ部が形成してあり、接地電極３１ｚは直線上に形成され、中心電極放電チップ１０１ｚと接地電極３１ｚとは、中心軸Ｃ／Ｌに対して所定の傾斜角度θ_ＯＦＳを設けた状態で対向している。

図６に本発明の実施例と比較例との効果の違いをまとめて示す。図の左側は、接地電極が筒内気流の下流となった場合を示し、図の右側は、接地電極が筒内気流の上流となった場合を示し、（ａ）は、本発明の実施例、（ｂ）〜（ｅ）は、それぞれ、比較例１〜比較例４を示す。
図６（ａ）に示すように、実施例１では、接地電極３１が筒内気流ＴＭＢの上流側（ＩＮ側）となる場合には、傾斜角θ_１が相対的に大きくても整流手段外周面３２１から接地電極３１先端までの距離が相対的に短いので筒内気流ＴＭＢの流速が大幅に減速されることがなく、接地電極３１が下流側（ＥＸ側）となる場合には、整流手段外周面３２２から接地電極３１の先端までの距離が相対的に長くても傾斜角θ_２が相対的に小さいので筒内気流ＴＭＢの流速が大幅に減速されることがない。したがって、接地電極３１が上流側（ＩＮ側）になろうと下流側（ＥＸ側）になろうと、筒内気流ＴＭＢが高い流速を維持したまま、接地電極３１の表面に接触するので、過早熱面着火を起こす虞がない。
一方、本図（ｂ）に示すように、比較例１では、接地電極３１ｗが長く燃焼室４００内に突出しているので表面温度が高くなり易い。加えて、シュラウド部３２ｗの外周面にテーパが形成されていないので、シュラウド部３２ｗの側面に衝突した筒内気流ＴＭＢは、急激に方向を変えられるので、シュラウド部３２ｗの側面を通過するときに渦流が発生し易く、接地電極３１ｗの表面に接触するときには流速が遅く、過早熱面着火ＰＩＧを起こし易い。
本図（ｃ）に示すように、比較例２では、接地電極３２ｘがオフセットされていないので、比較例１と同様に表面温度は高くなり、比較的、過早熱面着火ＰＩＧを起こし易い条件となっている。接地電極３２ｘが下流側にあるときには、シュラウド部３２ｘ外周面に設けられたテーパによって、流速が低下することなく接地電極３２ｘの先端方向に筒内気流ＴＭＢが運ばれるので、過早熱面着火ＰＩＧが発生し難くなる。しかし、テーパが全周に渡って同じ角度で形成されているので接地電極３２ｘが上流側となったときには、接地電極３２ｘの周囲の気流は、接地電極３２ｘの先端に向かうことがないので、過早熱面着火ＰＩＧを起こし易い。
本図（ｄ）に示すように、比較例３では、接地電極３１ｙが中心軸Ｃ／Ｌに対してオフセットされているために、接地電極３１ｙの表面温度は比較的低くなっている。しかし、シュラウド部３２ｙの外周面にテーパ部が設けられていないので、筒内気流ＴＭＢがシュラウド部３２ｙの側面に衝突したときに、流速が低下する。このため、接地電極３１ｙが筒内気流ＴＭＢの下流側となるときには、過早熱面着火が起こり難くなるが、接地電極３１ｙが筒内気流ＴＭＢの上流側となったときには、流速が遅いため過早熱面着火ＰＩＧを起こし易い。
本図（ｅ）に示すように、比較例４では、シュラウド部３２ｚの外周面にテーパが施され、接地電極３１ｚも中心軸Ｃ／Ｌに対してオフセットされているので、比較的接地電極３１ｚの表面温度も低くなっており、過早熱面着火ＰＩＧが起こり難い。しかし、接地電極３１ｚが直線状に形成されているので、中心電極１０ｚと接地電極３１ｚとの空間が狭く、点火時に発生した火炎核ＦＫが成長していない初期の段階で接地電極３１ｚに接触してエネルギを失って消炎する虞がある。特に、低負荷運転域から中負荷運転域では、空燃比が高く希薄であるため、強い筒内気流ＴＭＢによって、初期火炎核Ｆｋが飛ばされ失火に至る虞がある。

図７に本発明のより具体的な効果を比較例と共に示す。本図（ａ）は、接地電極温度に対する過早熱面着火発生率を示す特性図、本図（ｂ）は、燃焼限界空燃比を示す特性図である。
図７（ａ）に示すように、比較例３の場合には、接地電極３１ｙの表面温度が９００℃以上で過早熱面着火が始まり、１０００℃では、ほぼ１００％の確率で過早熱面着火が起こっている。
一方、本発明の実施例では、接地電極３１の表面温度が１０００℃以下では過早熱面着火は起こらず、１０５０℃以上で過早熱面着火が起こり始めるが、１１００℃でも９００℃における比較例３の発生率程度で、１２００℃以上となった場合に１００％の確率で過早熱面着火が起こることになることが判明した。
本試験は、試験用燃焼機関を用いエンジン回転数３０００ｒｐｍ、４００Ｎｍの条件下で、接地電極を加熱して表面温度を変化させながら過早熱面着火の発生の有無を調査した結果である。
なお、本実施例においては、接地電極側斜面角θ_１は４０度、反接地電極側斜面角θ_２は３０度、シュラウド部３２の突き出し長さＬは２ｍｍに設定したものを用いた。
図７（ｂ）に示すように、本発明の実施例及び比較例３では、同程度の燃焼限界であり、比較例４は、燃焼限界が低く、希薄燃焼時の着火性が劣ることが確認された。

図８を参照して、本発明の第１の実施形態におけるスパークプラグ１の変形例について説明する。
図８（ａ）は、本発明のスパークプラグ１の傾斜面３２の変形許容範囲を示す要部拡大図、（ｂ）は、本発明のスパークプラグ１の接地電極３２のオフセット位置の変形許容範囲を示す要部拡大図である。
本発明のスパークプラグ１におけるシュラウド部３２の外周面を形成する円錐ＣＯＮ_３２の仮想頂点Ｐの位置は、中心電極放電チップ１０１の先端と接地電極放電チップ３１０の先端とを結ぶ直線上で、シュラウド部３２の先端縁ＥＤＧ_３２と仮想頂点Ｐとのなす傾斜角度θは、図中に太い一点破線で示したエンジンヘッド４１の内壁を基準面として、この基準面とシュラウド部３２の外周の交わる点とシュラウド部３２の先端縁ＥＤＧ_３２とを結ぶ直線ＬＬ_１との交点Ｐ_１から接地電極放電チップ３１０の接続部下端Ｐ_２までの範囲ＡＰで適宜変更可能である。このとき、接地電極側傾斜角θ_１はθ_１ｍｉｎからθ_１ｍａｘの範囲に設定可能で、反接地電極側傾斜角θ_２は、θ_２ｍｉｎからθ_２ｍａｘの範囲に設定可能となる。具体的にはθ_２は２０度以上６０度以下の角度が望ましい。
さらに、仮想頂点Ｐ点は、放電ギャップＧの中間点から放電チップ３１０の接続部下端Ｐ_２までの範囲ＡＰで適宜変更可能である。また中心軸Ｃ／Ｌに対して接地電極３１側にあり、接地電極３１の先端縁より中心軸Ｃ／Ｌ側にある。
このような構成とすることにより熱面着火の抑制と着火性の両立が実現できることが判明した。
また、基準面から接地電極３１の先端までの距離Ｌ_３は、８ｍｍ以下とするのが望ましいことが判明した。
また、反接地電極側の傾斜面３２２の端縁が基準面から露出する場合、その突出長さをＬ_２とすると、Ｌ_２はできるだけ小さい方が望ましいが、Ｌ_２／Ｌを０．２以下とすれば、本発明の効果が得られることが判明した。シュラウド部３２の傾斜面のほとんどを気流制御に使う状態とすることができる。
また、接地電極３１の傾斜角θ_ＯＦＳは、θ_{ＯＦＳ（ｍｉｎ）}からθ_{ＯＦＳ（ｍａｘ）}の範囲で設定可能であり、公差ハッチングを付した範囲Ａ_Ｐで仮想頂点Ｐの位置が変更可能である。より具体的には、θ_ＯＦＳは０度より大きく６０度以下の角度とするのが望ましい。

図９（ａ）は、本発明のスパークプラグの変形例を示す要部拡大図、（ｂ）は、本発明のスパークプラグの他の変形例を示す要部拡大図である。
図９（ａ）に示すように、本実施形態におけるスパークプラグ１ａでは、シュラウド部３２ａの傾斜面を内側に窪んだ曲面状に形成しても良い。ただし、該凹面部のシュラウド部３２ａの先端縁ＥＤＧ３２ａにおける接線が仮想頂点Ｐに向かうように形成するのが望ましい。このような構成とすることにより、如何なる方向にスパークプラグ１ａが取り付けられても筒内気流が速度を大きく低下させることなく仮想頂点Ｐに向かって整流させて、着火性の向上と過早熱面着火を抑制する本発明の上記実施形態と同様の効果が発揮される。
図９（ｂ）に示す実施形態におけるスパークプラグ１ｂでは、上記実施形態と同様の構成に加えて中心電極放電チップ１０１ｂの表面とを接地電極放電チップ３１０の表面とが平行となるように中心電極放電チップ１０１ｂを傾斜させた点が相異する。このような構成とすることにより、上記実施形態と同様の効果に加え、中心電極放電チップ１０１ｂの耐久性向上も期待できる。

図１０は、本発明のスパークプラグの別の変形例を示す要部拡大図、図１１は、本発明のスパークプラグの、また、別の変形例を示す下面図及び斜視図である。
図１０に示したスパークプラグ１ｃでは、上記実施形態と同様の構成に加えに仮想頂点Ｐを頂点とする円錐面の斜面とシュラウド部３２ｃの下端縁ＥＤＧ_３２とのなす角度が一定となるように、下端縁ＥＤＧ３２が傾斜した状態に形成してある。このような構成においても上記実施形態と同様の効果が発揮される。さらに、本実施形態においては、シュラウド部３２ｃの傾斜面の加工は容易である。
図１１に示したスパークプラグ１ｄでは、シュラウド部３２ｄの傾斜面を円錐の斜面ではなく、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４で示すような複数の異なる傾斜角をもった傾斜面で構成しても良い。本実施例のように部分的に傾斜をつけても、気流が制御されれば、同様な効果が得られる。

１スパークプラグ
１０中心電極
１１中心電極中軸部
１１０中心電極放電部
１２中心電極端子部
２０絶縁碍子
２１絶縁碍子先端部
３０ハウジング
３１接地電極
３２シュラウド部（整流手段）
３２１接地電極側斜面
３２２反接地電極側斜面
４０内燃機関
４００燃焼室
４１エンジンヘッド
４５０プラグホール
Ｐ仮想頂点
θ_ＯＦＳ偏心角度
θ_１接地電極側傾斜角
θ_２反接地電極側傾斜角
Ｌシュラウド部突出長さ

特開２０００−２４３５３５号公報特開２００８−１０４７９号公報

Claims

内燃機関に装着され、長軸状に形成した中心電極と、その外周を覆う略筒状の絶縁碍子と、該絶縁碍子を覆う略筒状のハウジングと、該ハウジングに延設して上記中心電極に対して所定の放電ギャップを設けて対向する接地電極とを具備し、上記中心電極と上記接地電極との間に高電圧を印加して火花放電を発生させて上記内燃機関の点火を行うスパークプラグであって、
上記内燃機関の燃焼室内に露出する上記ハウジングの先端部を上記絶縁碍子の先端部を略環状に覆うように突設しつつ、その外周面の少なくとも一部を上記燃焼室内に流れる筒内気流を整流して所望の方向へ案内する整流手段となしたスパークプラグにおいて、
該スパークプラグの中心軸上に配設せしめた上記中心電極に対向する上記接地電極の先端を上記中心軸に対して所定の偏心角θ_ＯＦＳをもって上記ハウジングの基端側に偏心せしめると共に、
上記整流手段は、上記ハウジングの先端部の外周面において、少なくとも、上記接地電極の接続された接地電極側斜面の傾斜角θ_１を、上記接地電極の接続されていない反接地電極側斜面の傾斜角θ_２よりも大きい角度となしたことを特徴とするスパークプラグ。
上記ハウジングの先端部の外周面を、上記中心電極の先端と上記接地電極の先端とを結ぶ直線上の一点を仮想頂点とする円錐の斜面の一部となしたことを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
上記接地電極は、上記ハウジングに接続された接地電極基端部から上記燃焼室内に伸び、略Ｌ字形の屈曲部を設けて上記接地電極の先端側を上記中心電極に対向せしめたことを特徴とする請求項１又は２に記載のスパークプラグ。