JP5604392B2

JP5604392B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP5604392B2
Application number: JP2011194415A
Authority: JP
Inventors: 久和平岡
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2031-09-06
Also published as: JP2013055022A

Description

この発明はアルコール燃料を含む燃料を用いて動力を出力する内燃機関に用いるスパークプラグに関する。

従来において、様々なスパークプラグが開発されてきた。具体的には、例えば特許文献１に記載されたガソリンを用いる内燃機関用のスパークプラグ、及び特許文献２に記載されたアルコール燃料を用いる内燃機関用のスパークプラグ等が挙げられる。

特許文献１には、「・・・絶縁体(2)の軸線方向(O)において前記火花放電ギャップ(g)の位置する側を前方側、これと反対側を後方側として、前記絶縁体(2)は、前端部(2i)が周方向の段部により縮径されて該段部が絶縁体側係合部(2h)とされ、前記主体金具(1)に対し後方側開口部から挿入されるとともに、前記絶縁体側係合部(2h)が前記主体金具(1)の内周面から突出する金具側係合部(1c)と係合し、かつ、前記絶縁体(2)の前記絶縁体側係合部(2h)よりも前方側に位置する部分(2i)の外周面・・・(2k)が、前記金具側係合部(1c)の内周面・・・(52)と、所定量の係合位置隙間(Q)を形成する形にて対向する・・・ことを特徴とするスパークプラグ」が記載されている（特許文献１の請求項１参照。）。また、特許文献１に記載のスパークプラグは、「耐汚損性を損ねることなく、スパークプラグの小型化を有効に図ることができる」という技術的効果を奏すると記載されている（特許文献１の段落番号０００９欄参照。）。

特許文献２には、「・・・中心電極(1)の先端部の白金(3)の外側電極の先端方向の側面(32)より外側電極(2)の先端部の白金(4)の外側電極の先端方向の側面(42)を中心電極(1)の中心線側にe2引込めると共に、中心電極(1)の先端部の白金(3)の外側電極(2)の根元方向の側面(31)より外側電極(2)の先端部の白金(4)の外側電極(2)の根元方向の側面(41)を中心電極(1)の中心線側と反対方向寄りにe1だけ突出させ、外側電極(2)の白金取付土台(5)の先端面(52)を外側電極(2)の先端部の白金(4)の外側電極の先端方向の側面(42)より中心電極(1)の中心線側にe3引込ませ、・・・かつ、外側電極の先端部の白金(4)の両側の外側電極(2)の土台(5)に外側電極先端部の白金(4)の外側電極の長手方向の長さl2方向に沿い傾斜角度(β)を付けたことを特徴とするアルコールエンジンのスパークプラグ」が記載されている（特許文献２の請求項１参照）。また、特許文献２に記載のスパークプラグは、「従来湾曲して火花が飛ぶことにより、白金チップ溶接の土台となっている金属が早期に消耗して白金が土台から脱落するようなことを確実に防止できるので、スパークプラグの信頼性と寿命を向上することができる」という技術的効果を奏すると記載されている（特許文献２の第３頁右欄第１５行〜第１８行参照。）。

しかしながら、アルコール燃料を燃焼させて動力を出力する内燃機関に、ガソリンを燃焼させて動力を出力する内燃機関に用いられる従来のスパークプラグを、用いると、プレイグニッションが発生してしまうことがあった。

特開２００２−２６０８１７号公報実用新案登録第２５５４９７３号

この発明が解決しようとする課題は、アルコール燃料を燃焼させて動力を出力する内燃機関に用いても、プレイグニッションの発生がないか、その発生を十分に抑制することのできるスパークプラグを提供することである。

前記課題を解決するための手段は、
（１）アルコール燃料の燃焼により動力を出力する内燃機関に用いられるスパークプラグであって、
脚長が１２〜１４ｍｍであり、ガスボリューム部の体積が２３５．６〜３４８．５ｍｍ^３であることを特徴とするスパークプラグ、及び、
（２）前記ガスボリューム部の体積が２４９．１〜３４８．５ｍｍ^３である請求項１に記載のスパークプラグである。

この発明によると、脚長が１２〜１４ｍｍであり、ガスボリューム部の体積が２３５．６〜３４８．５ｍｍ^３、好ましくは２４９．１〜３４８．５ｍｍ^３であることにより、アルコール燃料を燃焼して動力を取り出す内燃機関にあってはプレイグニッションの発生がないか、又はその発生を抑制することのできるスパークプラグを提供することができる。

図１は、この発明に係るスパークプラグの一実施態様を示した一部断面概略図である。図２は、図１に示したスパークプラグの一部拡大断面図である。図３は、この発明に係るスパークプラグの他の実施態様を示した一部断面概略図である。

この発明に係るスパークプラグは、アルコール燃料を燃焼することにより動力を出力する内燃機関に装着されるスパークプラグである。この発明に係るスパークプラグは、その脚長が１２〜１４ｍｍであり、ガスボリューム部の体積が２３５．６〜３４８．５ｍｍ^３である。

ここで、この発明に係るスパークプラグについて、図１に示す一実施態様を参照しつつ説明する。

図１には、スパークプラグ１が示されている。スパークプラグ１は、主体金具２と、絶縁体３と、接地電極４とを備えている。なお、図１〜５に示すように、この発明に係るスパークプラグの実施態様は、図面における上方を後端側と称することがあり、図面における下方を先端側と称することがある。

主体金具２は筒体であり、絶縁体３を保持している。主体金具２の周側面には、エンジンブロック（図示せず）等に形成された雌螺子穴に螺合することのできるネジ部５が形成されている。
主体金具２は、低炭素鋼等の金属材料で形成されている。主体金具２における各部位の寸法は、スパークプラグ１が取り付けられるエンジンブロック等を初めとする他の装置の寸法に合わせて決定される。主体金具２におけるネジ部５は、その寸法等が、Ｍ１０、Ｍ１２、及びＭ１４等と規格化されている。

また、絶縁体３は、主体金具２と同様に筒体である。更に、絶縁体３は、スパークプラグ１の先端側から順に、中心電極６、先端側導電体７、抵抗体８、後端側導電体９及び端子金具１０を収容している。中心電極６は、通電したときにその先端と接地電極４との間に火花が飛ぶように、導電性部材で形成されている。なお、中心電極６、先端側導電体７、抵抗体８、後端側導電体９及び端子金具１０は、全て導電性部材で形成されている。中心電極６は、その部位によって要求される電気的特性及び熱的特性等が相違するので、例えばこの実施例では中心電極６の芯部分は放熱効率が高い銅又は銅合金等によって形成され、中心電極６における芯部分を取り囲む部分はニッケル合金等によって形成されている。先端側導電体７と後端側導電体９とは、いずれも導電性ガラスシール層とも称される公知の部材である。先端側導電体７と後端側導電体９とに挟持される抵抗体８は、例えばガラス粉末と導電材料粉末との混合物、又はガラス粉末と導電材料粉末と前記ガラス以外の適宜のセラミック粉末とを更に混合して成る混合物等によって形成することができる。端子金具１０の後端には、高圧ケーブル（図示せず）がプラグキャップ（図示せず）を介して接続され、端子金具１０に高電圧が印加されるようになっている。

接地電極４は、その一端部が主体金具２の先端に結合し、中央部がスパークプラグ１の中心軸線に直交する方向に屈曲しており、他端部が中心電極６の先端に近接している。主体金具２と接地電極４とを結合する方法乃至態様は、スパークプラグ１の使用時に発生する衝撃、振動、及び熱等によって結合状態が阻害されない限り特に制限は無く、例えば溶着等が好ましい。接地電極４の他端と中心電極６の先端とは非接触状態に保持されており、相互の距離は印加される電圧、使用される燃料、及び部材を形成する材料等によって適宜に設定される。

スパークプラグ１は、主体金具２、絶縁体３、接地電極４、及びその他の部材の結合状態がスパークプラグ１の使用時に発生する振動、衝撃及び熱等によって阻害されないように、組み立てられている。

ここで、スパークプラグ１の先端部を拡大した断面図を、図２に示す。

図２に示されるように、絶縁体３は、後端側が太径であると共に先端側が細径である。絶縁体３の周側面は、太径部分の周側面である後端側外周面１１と、太径部分から細径部分へと連続する傾斜面である肩部１２と、細径部分の周側面である先端側外周面１３とから成る。先端側外周面１３は、絶縁体３の先端側が縮径するように、スパークプラグ１の軸線に対して傾斜している。絶縁体３の先端部は、主体金具２の先端側の開口部１４から突出している。この絶縁体３の前記開口部１４から突出する部分を突出部１５と称する。

また、主体金具２は、主体金具２の先端開口部から絶縁体３が脱離しないように、主体金具２の内周面に凸部１６が形成されている。詳述すると、主体金具２の内周面は、前記後端側外周面１１に摺接する後端側内周面１７と、後端側内周面１７から連続し、前記肩部１２に臨んで主体金具２の内径が縮径するように傾斜する後端側傾斜面１８と、スパークプラグ１の軸線に沿って後端側傾斜面１８から延在し、前記先端側外周面１３に臨む山部１９と、山部１９に連続し、主体金具２の内径が拡径するように傾斜する先端側傾斜面２０と、スパークプラグ１の軸線に沿って先端側傾斜面２０から開口部１４まで延在する先端側内周面２１とから成る。
主体金具２の後端側傾斜面１８と絶縁体３の肩部１２との間の間隙には緩衝材である円環状の板パッキンＰが介装されている。

図２に示されるように、主体金具２の内周面と絶縁体３の外周面との間には、隙間が形成されている。更に言うと、前記隙間は、主体金具２の開口部１４と、後端側傾斜面１８と、山部１９と、先端側傾斜面２０と、先端側内周面２１と、絶縁体３の肩部１２と、突出部１５以外の先端側外周面１３とで取り囲まれ、かつ板パッキンＰの容積を除く空間である。この隙間即ち前記空間を、以下において「ガスボリューム部ＧＶ」と称することがある。また、絶縁体３において、後端側外周面１１と肩部１２との接点から先端部までのスパークプラグ１の軸線に平行な距離を、以下において「脚長Ｌ」と称することがある。ガスボリューム部ＧＶの体積及び脚長Ｌは、絶縁体３の先端側外周面１３が火炎に曝される表面積と点火後の放熱特性とを左右する。この発明に係るスパークプラグにおいて、ガスボリューム部は、主体金具の開口部から後端側であって、主体金具の内周面と絶縁体の外周面とによって形成される隙間であり、気体が侵入可能であるので点火後の絶縁体からの放熱が可能な領域である。

なお、この発明に係るスパークプラグは、アルコール燃料を燃焼させて動力を出力する内燃機関に用いられる。なお、アルコール燃料としては、アルコールのみの燃料及びアルコールとガソリンとの混合燃料を意味する。

アルコール燃料に採用されるアルコールとしては、近年に内燃機関用に製造されているアルコールであれば特に制限は無く、例えばメタノール、エタノール、プロパノール及びブタノール等を挙げることができ、特に車両の内燃機関用に製造されているメタノール及びエタノール等が好適である。

アルコールとガソリンとは、内燃機関内での燃焼態様が異なる。したがって、ガソリンエンジンに搭載されるスパークプラグをアルコール燃料用の内燃機関に搭載すると、ガソリンを燃焼させたときには発生しなかった不具合が生じることがある。

ガスボリューム部ＧＶの体積及び脚長Ｌが共に大きいスパークプラグを搭載する内燃機関にガソリン、又はアルコール燃料を供給して燃焼させると、スパークプラグ１における絶縁体３の先端側外周面１３が火炎に曝される表面積が大きくなること、及び、ガスボリューム部ＧＶからスパークプラグ１外に放熱する経路が長くなることによって、絶縁体３からプレイグニッションが発生し易い。

ガスボリューム部ＧＶの体積及び脚長Ｌが共に小さいスパークプラグを搭載する内燃機関にガソリンを供給して燃焼させると、絶縁体３だけでなく他の部材からもプレイグニッションが発生しない。

ガスボリューム部ＧＶの体積及び脚長Ｌが共に小さいスパークプラグを搭載する内燃機関にアルコール燃料を供給して燃焼させると、絶縁体３からプレイグニッションは発生しないが、接地電極４からプレイグニッションが発生し易い。

この発明に係るスパークプラグは、脚長が１２〜１４ｍｍであり、ガスボリューム部が２３５．６〜３４８．５ｍｍ^３であることによって、アルコール燃料を用いたとしても、絶縁体からのプレイグニッションだけでなく、接地電極からのプレイグニッションの発生も防止することができる。特に、アルコール燃料としてガソリン無含有のアルコール燃料を用いた場合に、この発明に係るスパークプラグは、内燃機関を低回転、及び高過給状態に維持しても、絶縁体及び接地電極からプレイグニッションが発生しないか、十分に抑制される。
一般的にいうと、この発明に係るスパークプラグを実装したエンジンをアルコール燃料で駆動した場合に、スパークプラグにおける絶縁体に存在する熱は、板パッキンなどのパッキンに伝導し、パッキンから主体金具へと伝導する。スパークプラグの脚長が１４ｍｍを超えると、絶縁体先端から主体金具までの長さが大きいので、絶縁体先端から主体金具までの熱の伝達が悪くなり、その結果として絶縁体先端の温度が低下しにくくなる。つまり絶縁体先端の温度が高い状態のままとなる。そうすると、スパークプラグの絶縁体先端でプレイグニッションが発生する。一方、脚長が１２ｍｍよりも短いと、絶縁体に存在する熱量は主体金具へと伝導し易くはなるが、脚長が１４ｍｍよりも長い場合に比べて主体金具に蓄積される熱量が多くなり、その結果として外側電極に存在する熱量が主体金具へ伝導し難くなる。そうすると、スパークプラグの外側電極でプレイグニッションが発生し易くなる。
よって、脚長に関する上記現象から、脚長が１２〜１４ｍｍの範囲内にあるとプレイグニッションの発生がなくなるか、又は十分に抑制される。

なお、この発明に係るスパークプラグにおけるガスボリューム部の体積の測定方法としては、先ずスパークプラグを解体して各部位の寸法、特に主体金具の内周面における各部位の寸法、及び絶縁体の外周面における各部位の寸法を測定し、スパークプラグの図面を作製し、更に電気計算機のＣＡＤソフト等を用いることによりガスボリューム部として形成される領域の体積を算出する方法を挙げることができる。

脚長とガスボリューム部とを様々に変化させたスパークプラグを作製して、様々な燃料を用いた場合にプレイグニッションの発生の有無を評価した。

ガスボリューム部の体積は、脚長の調整と絶縁体形状を変更することによって調整した。絶縁体の変形態様としては、例えば図３（ａ）〜（ｄ）に示す態様を挙げることができる。
詳述すると、図３（ａ）に示すスパークプラグの絶縁体は、図１及び２に示したスパークプラグの絶縁体と同様の形状を成し、肩部１２から絶縁体の先端部に向うに連れて外径が小さくなっていく縮径部の先端側外周面１３が形成されてなる。
図３（ｂ）に示す絶縁体は、主体金具２の山部１９に向うとともに前記山部１９が形成している内周面に、僅かのクリアランスをもって臨む外周面１３Ａと、前記山部１９が途切れる端部から離れつつ、絶縁体の先端部に向うに連れてその外径が小さくなっていく先端側外周面１３とを有して成る。
図３（ｃ）に示す絶縁体は、主体金具２の山部１９に向うとともに前記山部１９が形成している内周面に僅かのクリアランスをもって臨む外周面１３Ａと、前記山部１９との接触から離れたその外周面が円錐形を形成している円錐部１３Ｂと円錐部１３Ｂから先端に向う円柱部１３Ｃとからなる先端側外周面１３とを、有して成る。
図３（ｄ）に示す絶縁体は、図３（ｂ）に示した絶縁体における先端側外周面の後端側の変形部分が、更に延長されて成り、具体的には、主体金具２の山部１９に向うとともに前記山部１９が形成している内周面よりも軸線方向長さの大きな、円柱外周面に相当する外周面１３Ｄと、その外周面１３Ｄの下端から先端に向って円錐状に形成された円錐部１３Ｅとを有して先端側外周面１３が形成されてなる。

評価に用いたスパークプラグは、以下の表１及び表２に示す脚長Ｌ（ｍｍ）及び絶縁体形状となるように、従来公知の作製方法により作製した。ネジ径がＭ１４ｍｍ、発火位置が５ｍｍとなるように設定した。なお、表１に示すスパークプラグと、表２に示すスパークプラグとの相違点は、絶縁体基部すなわち絶縁体における先端側外周面の後端側のストレート部すなわち円柱部の長さが違う点である。

作製したスパークプラグを、エンジン回転数が２７００ｒｐｍ、点火時期が３０°ＣＡの条件下で、過給圧を上げて燃料室内の温度を上昇させ、接地電極の温度を高くしてプレイグニッションが発生するポイントを確認し、プレイグニッションが発生するときの平均有効圧力であるＩＭＥＰ値を評価することにより、プレイグニッション発生の有無を評価することとした。

表１及び表２において、ガスボリューム部の体積を「ＧＶ」として示し、絶縁体形状が図３（ａ）に示した形状であるスパークプラグは「ａ」と示し、絶縁体形状が図３（ｂ）に示した形状であるスパークプラグは「ｂ」と示し、絶縁体形状が図３（ｃ）に示した形状であるスパークプラグは「ｃ」と示し、絶縁体形状が図３（ｄ）に示した形状であるスパークプラグは「ｄ」と示した。また、プレイグニッション発生の有無の評価について、用いた燃料がアルコール燃料である場合には「アルコール」と示し、アルコール燃料とガソリンとの混合燃料であってアルコール燃料の体積分率が２０％である場合には「アルコール２０％」と示した。また、表１中の◎、○、×は以下の意味を有する。
◎：エンジンを２分間運転した場合にプレイグニッションの発生が５回未満である。
○：エンジンを２分間運転した場合にプレイグニッションの発生が５回以上２０回未満である。
×：エンジンを２分間運転するまでの間にプレイグニッションの発生が２０回以上である。

以下の表２中、脚長が１４ｍｍであって、絶縁体形状が図３（ａ）に示した態様である場合に、絶縁体先端部における絶縁体の径を4.7ｍｍから4.0ｍｍに変更した実験例には、「ａ絶縁体先端径変更」と示した。表２における◎、○及び×の意味は表１におけるのと同様である。

表１及ぶ表２に示されるように、脚長が１２〜１４ｍｍの範囲外であり、かつガスボリューム部の体積が２３５．６〜３４８．５ｍｍ^３の範囲外であるスパークプラグは、燃料の種類によって接地電極又は絶縁体においてプレイグニッションが発生した。また、脚長は１２〜１４ｍｍの範囲内であるが、ガスボリューム部の体積が２３５．６〜３４８．５ｍｍ^３の範囲外であるスパークプラグは、燃料の種類によって接地電極又は絶縁体においてプレイグニッションが発生した。

しかしながら、表１及び表２に示されるように、脚長が１２〜１４ｍｍの範囲内であり、かつガスボリューム部の体積が２３５．６〜３４８．５ｍｍ^３の範囲内であるスパークプラグは、アルコール燃料（すなわち、アルコールのみの燃料及びアルコールとガソリンとの混合燃料）及びガソリンのいずれの燃料を用いた場合であっても、絶縁体だけでなく、接地電極からもプレイグニッションが発生しなかった。

１スパークプラグ
２主体金具
３絶縁体
４接地電極
５ネジ部
６中心電極
７先端側導電体
８抵抗体
９後端側導電体
１０端子金具
１１後端側外周面
１２肩部
１３先端側外周面
１４開口部
１５突出部
１６凸部
１７後端側内周面
１８後端側傾斜面
１９山部
２０先端側傾斜面
２１先端側内周面
ＧＶガスボリューム部
Ｌ脚長
Ｐ板パッキン

Claims

アルコール燃料の燃焼により動力を出力する内燃機関に用いられるスパークプラグであって、
脚長Ｌが１２〜１４ｍｍであり、ガスボリューム部の体積が２３５．６〜３４８．５ｍｍ^３であることを特徴とするスパークプラグ。
前記ガスボリューム部の体積が２４９．１〜３４８．５ｍｍ^３である請求項１に記載のスパークプラグ。