JP5809664B2 - スパークプラグ - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関等に使用されるスパークプラグに関する。
内燃機関等に使用されるスパークプラグは、例えば、軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、軸孔の先端側に挿設された中心電極と、絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、主体金具の先端部に固定された棒状の接地電極とを備えている。また、接地電極の先端部と中心電極の先端部との間には火花放電間隙が形成され、当該火花放電間隙に電圧を印加することで、火花放電を生じさせるようになっている。
また、着火性及び耐久性の向上を図るべく、接地電極の先端部に貴金属合金等からなるチップを設け、当該チップと中心電極との間に前記間隙を形成する技術が知られている。さらに、接地電極の先端面から突出するようにしてチップを接合することで、接地電極による消炎作用を低減し、着火性の更なる向上を図る技術が提案されている(例えば、特許文献1等参照)。
国際公開第2009/066714号公報
しかしながら近年では、燃費性能の向上等を図るために、内燃機関等において、高圧縮化や高過給化、燃焼室内における流速の増大が進められている。そのため、混合気への着火がより難しくなることがあり、着火性を一層向上させることが求められている。
また、内燃機関としては、図15(a)に示すように、燃焼室101内において、シリンダ102の軸の外周を回転するように旋回するスワール流が発生するものと、図15(b)に示すように、燃焼室101内において、ピストン103側への流動とスパークプラグ100側への流動とを繰り返すように旋回するタンブル流が発生するものとが知られている。そして、特にタンブル流が発生する内燃機関においては、良好な着火性を確保することがより難しくなるおそれがある。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、良好な耐久性を維持しつつ、着火性の一層の向上を図ることができるスパークプラグを提供することにある。
以下、上記目的を解決するのに適した各構成につき、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、
前記軸孔の先端側に挿設された中心電極と、
前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
前記主体金具の先端部に配置された棒状の接地電極とを備え、
前記接地電極は、
自身の先端部に、平坦状の先端面及び前記中心電極の先端面側を向く平坦状の内側面を具備し、自身の基端部が前記主体金具の先端部に固定された棒状の本体部と、
前記本体部の先端面及び前記本体部の内側面から突出した状態で前記本体部の先端部に配置され、自身の幅が前記本体部の幅よりも小さい突出部とを有し、
前記突出部のうち前記中心電極側に位置する放電面と、前記中心電極の先端面との間に間隙が形成されたスパークプラグであって、
前記軸線と直交する第1平面に、前記中心電極の先端面と前記接地電極とを前記軸線に沿って投影したときにおいて、前記突出部の投影領域の少なくとも一部は、前記中心電極の先端面の投影領域と重なり、
下記の幅Le(mm)、幅Lc(mm)、断面積Sg(mm)、断面積Sc(mm)角度θ1(°)、角度θ2(°)、角度θ3(°)、及び、角度θ4(°)が、次の式(1)、(2)、及び、(3)を満たすことを特徴とする。
Le<Lc…(1)
2.9≦Sc+Sg≦4.25…(2)
0.30≦(θ1/θ2)×(θ3/θ4)≦0.67…(3)
幅Le:前記本体部の先端部における前記本体部の中心軸と直交する第2平面に、前記接地電極を前記中心軸に沿って投影したときにおける、前記突出部の投影領域のうち前記突出部の放電面に相当する部位の幅。
幅Lc:前記第2平面に、前記中心電極を前記中心軸に沿って投影したときにおける、前記中心電極の投影領域のうち前記中心電極の先端面に相当する部位の幅。
断面積Sg:前記本体部の中心軸と直交する断面における、前記本体部の先端部のうち前記突出部よりも前記本体部の基端側に位置する部位の断面積。
断面積Sc:前記軸線と直交する断面における、前記中心電極の先端部の断面積。
角度θ1:前記第1平面に、前記中心電極と前記接地電極とを前記軸線に沿って投影するとともに、前記本体部の投影領域のうち前記本体部の先端面の幅方向の2つの端に対応する2つの端点から、前記中心電極の先端面の投影領域のうちその中心よりも前記本体部の基端側とは反対側に位置する領域に接し、かつ、それぞれ交差する2本の第1接線を引いたときにおいて、当該2本の第1接線により形成されるとともに、前記本体部の先端面側に位置する角の角度。
角度θ2:前記第1平面に、前記中心電極と前記接地電極とを前記軸線に沿って投影するとともに、前記本体部の投影領域のうち前記本体部の先端面の幅方向の2つの端に対応する2つの端点の一方の端点から前記突出部の投影領域のうち前記突出部の先端面に対応する部位の前記一方の端点の最も近い部分に接し、前記2つの端点の他方の端点から前記突出部の投影領域のうち前記突出部の先端面に対応する部位の前記他方の端点に最も近い部位に接し、かつ、それぞれが交差する2本の第2接線を引いたとき、当該2本の第2接線により形成されるとともに、前記突出部の先端面側に位置する角の角度。
角度θ3:前記第2平面に、前記中心電極と前記接地電極とを前記中心軸に沿って投影するとともに、前記本体部の投影領域のうち前記本体部の内側面の幅方向の2つの端に対応する2つの端点の一方の端点から前記中心電極の投影領域のうち前記中心電極の先端面に対応する部位の前記一方の端点に最も近い部分に接し、前記2つの端点の他方の端点から前記中心電極の投影領域のうち前記中心電極の先端面に対応する部位の前記他方の端点に最も近い部分に接し、かつ、それぞれが交差する2本の第3接線を引いたときにおいて、当該2本の第3接線により形成されるとともに、前記本体部の内側面側に位置する角の角度。
角度θ4:前記第2平面に、前記中心電極と前記接地電極とを前記中心軸に沿って投影するとともに、前記本体部の投影領域のうち前記本体部の内側面の幅方向の2つの端に対応する2つの端点の一方の端点から前記突出部の投影領域のうち前記突出部の放電面に対応する部位の前記一方の端点に最も近い部分に接し、前記2つの端点の他方の端点から前記突出部の投影領域のうち前記突出部の放電面に対応する部位の前記他方の端点に最も近い部分に接し、かつ、それぞれが交差する2本の第4接線を引いたとき、当該2本の第4接線により形成されるとともに、前記突出部の放電面側に位置する角の角度。
上記構成1によれば、突出部の投影領域の少なくとも一部は、中心電極の先端面の投影領域と重なるように構成されているため、主として突出部と中心電極の先端面との間において火花放電が生じることとなる。その上で、上記構成1によれば、Le<Lcを満たすように構成されており、中心電極の先端部の幅(外径)が、突出部の幅よりも大きくなるように構成されている。従って、火花放電が吹き流された際における中心電極の先端面を這った火花放電の移動可能量を増大させることができ、火花放電をより長期間に亘って維持することができる。その結果、着火性の向上を図ることができる。
また、火花放電は、上述の通り、主として突出部と中心電極との間において生じるが、Le<Lcを満たすことで、突出部と中心電極との間だけでなく、中心電極と本体部との間においても火花放電を生じさせることができる。その結果、接地電極において火花放電に伴い消耗する部位を分散させることができ、耐久性を向上させることができる。
尚、Le≧Lcを満たすように構成した場合において、スワール流が発生する条件では、火花放電をより長期間に亘って維持することができる。しかしながら、Le≧Lcを満たすように構成した場合において、タンブル流が発生する条件では、火花が吹き消えやすくなり、着火性を向上させることができないおそれがある。これに対して、上記構成1のように、Le<Lcとすることで、タンブル流が発生する条件であっても、火花放電を長期間維持することができ、着火性を向上させることができる。従って、上記構成1のスパークプラグは、タンブル流が生じる内燃機関に対して適用することが好ましい。
また、上記構成1によれば、2.9≦Sc+Sg≦4.25を満たすように構成されている。従って、中心電極や本体部の消耗体積を十分に確保しつつ、中心電極や本体部による消炎作用の抑制を図ることができる。その結果、着火性及び耐久性を一層向上させることができる。
さらに、本願発明者が、角度θ1〜θ4について鋭意検討したところ、0.30≦(θ1/θ2)×(θ3/θ4)≦0.67を満たすことで、上述した着火性及び耐久性の向上効果を損なうことなく、着火性及び耐久性を一層向上できることが見出された。従って、上記構成1によれば、着火性及び耐久性の更なる向上を図ることができる。
以上のように、上記構成1によれば、上述した作用効果が相乗的に作用することで、着火性及び耐久性の双方において優れた性能を実現することができる。
構成2.本構成のスパークプラグは、上記構成1において、0.32≦(θ1/θ2)×(θ3/θ4)≦0.61
を満たすことを特徴とする。
本願発明者が、角度θ1〜θ4について鋭意検討したところ、0.32≦(θ1/θ2)×(θ3/θ4)≦0.61を満たすことで、着火性及び耐久性をより一層向上できることが見出された。従って、上記構成2によれば、一層優れた着火性及び耐久性を得ることができる。
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、前記突出部は、白金を主成分とする金属からなることを特徴とする。
尚、「主成分」とあるのは、材料中、最も質量比の高い成分を指すものである(以下、同様)。
上記構成3によれば、突出部の耐消耗性を良好なものとすることができ、耐久性を一層向上させることができる。また、良好な耐消耗性を確保できることから、突出部の幅をより小さくすることができ、着火性の一層の向上を図ることが可能となる。
構成4.本構成のスパークプラグは、上記構成1又は2において、前記突出部は、イリジウムを主成分とする金属からなることを特徴とする。
上記構成4によれば、突出部の耐消耗性を向上させることができ、耐久性をより一層向上させることができる。また、良好な耐消耗性を確保できることから、突出部の幅をより小さくすることができ、着火性の更なる向上を図ることができる。
スパークプラグの構成を示す一部破断正面図である。 スパークプラグの先端部の構成を示す拡大断面図である。 スパークプラグの先端部の構成を示す拡大側面図である。 第1平面に投影された中心電極等を示す投影図である。 第2平面に投影された中心電極等を示す投影図である。 第2平面に投影された中心電極等を示す投影図である。 (a)は、本体部の先端部等を示す部分拡大正面図であり、(b)は、本体部の先端部の断面を示す部分拡大断面図である。 (a)は、中心電極の先端部を示す部分拡大正面図であり、(b)は、中心電極の先端部の断面を示す部分拡大断面図である。 (a)は、幅Leを幅Lc以上とした場合における火花放電の態様を示す模式図であり、(b)は、幅Leを幅Lc未満とした場合における火花放電の態様を示す模式図である。 (a)〜(c)は、角度θ1がより小さなものとなる場合における接地電極等の構成を示す投影図である。 (a)〜(c)は、角度θ2がより小さなものとなる場合における接地電極等の構成を示す投影図である。 (a)〜(c)は、角度θ3がより小さなものとなる場合における接地電極等の構成を示す投影図である。 (a)〜(c)は、角度θ4がより小さなものとなる場合における接地電極等の構成を示す投影図である。 (a)〜(d)は、別の実施形態における本体部の構成を示す部分拡大側面図である。 (a)は、燃焼室内におけるスワール流を説明するための説明図であり、(b)は、燃焼室内におけるタンブル流を説明するための説明図である。
以下に、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は、スパークプラグ1を示す一部破断正面図である。尚、図1では、スパークプラグ1の軸線CL1方向を図面における上下方向とし、下側をスパークプラグ1の先端側、上側を後端側として説明する。
スパークプラグ1は、筒状をなす絶縁体としての絶縁碍子2、これを保持する筒状の主体金具3などから構成されるものである。
絶縁碍子2は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成されており、その外形部において、後端側に形成された後端側胴部10と、当該後端側胴部10よりも先端側において径方向外向きに突出形成された大径部11と、当該大径部11よりも先端側においてこれよりも細径に形成された中胴部12と、当該中胴部12よりも先端側においてこれよりも細径に形成された脚長部13とを備えている。加えて、絶縁碍子2のうち、大径部11、中胴部12、及び、大部分の脚長部13は、主体金具3の内部に収容されている。そして、中胴部12と脚長部13との連接部にはテーパ状の段部14が形成されており、当該段部14にて絶縁碍子2が主体金具3に係止されている。
さらに、絶縁碍子2には、軸線CL1に沿って軸孔4が貫通形成されており、当該軸孔4の先端側には中心電極5が挿設されている。当該中心電極5は、熱伝導性に優れる金属(例えば、銅や銅合金等)からなる内層5A、及び、ニッケル(Ni)を主成分とする合金からなる外層5Bを備えている。さらに、中心電極5は、その先端部に、耐消耗性に優れる金属からなる円柱状の中心電極側チップ31を備えている。本実施形態において、当該中心電極側チップ31は、耐消耗性に優れる金属〔例えば、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、及び、レニウム(Re)等のうち1種類以上を含有する金属など〕により形成されている。また、中心電極5は、全体として棒状(円柱状)をなし、絶縁碍子2の先端から突出している。
加えて、軸孔4の後端側には、絶縁碍子2の後端から突出した状態で端子電極6が挿入、固定されている。
さらに、軸孔4の中心電極5と端子電極6との間には、円柱状の抵抗体7が配設されている。当該抵抗体7の両端部は、導電性のガラスシール層8,9を介して、中心電極5と端子電極6とにそれぞれ電気的に接続されている。
加えて、前記主体金具3は、低炭素鋼等の金属により筒状に形成されており、その外周面にはスパークプラグ1を燃焼装置(例えば、内燃機関や燃料電池改質器等)の取付孔に取付けるためのねじ部(雄ねじ部)15が形成されている。また、ねじ部15よりも後端側の外周面には径方向外側に突出する座部16が形成され、ねじ部15後端のねじ首17にはリング状のガスケット18が嵌め込まれている。さらに、主体金具3の後端側には、主体金具3を前記燃焼装置に取付ける際にレンチ等の工具を係合させるための断面六角形状の工具係合部19が設けられるとともに、後端部において絶縁碍子2を保持するための加締め部20が設けられている。
また、主体金具3の内周面には、絶縁碍子2を係止するためのテーパ状の段部21が設けられている。そして、絶縁碍子2は、主体金具3に対してその後端側から先端側に向かって挿入され、自身の段部14が主体金具3の段部21に係止された状態で、主体金具3の後端側開口部を径方向内側に加締めること、つまり上記加締め部20を形成することによって主体金具3に固定されている。尚、段部14,21間には、円環状の板パッキン22が介在されている。これにより、燃焼室内の気密性を保持し、燃焼室内に晒される絶縁碍子2の脚長部13と主体金具3の内周面との隙間に入り込む燃料ガスが外部に漏れないようになっている。
さらに、加締めによる密閉をより完全なものとするため、主体金具3の後端側においては、主体金具3と絶縁碍子2との間に環状のリング部材23,24が介在され、リング部材23,24間にはタルク(滑石)25の粉末が充填されている。すなわち、主体金具3は、板パッキン22、リング部材23,24及びタルク25を介して絶縁碍子2を保持している。
また、図2に示すように、主体金具3の先端部26には、棒状をなす接地電極27が配置されている。接地電極27は、図2及び図3に示すように、Niを主成分とする合金等により形成された棒状の本体部28と、当該本体部28の先端部に配置された突出部29とを備えている。
本体部28は、自身の中間部分にて曲げ返されており、自身の先端部に、中心電極5の先端面5F側を向く平坦状の内側面28Nを備えている。また、本体部28の基端部が主体金具3の先端部26に接合されることで、主体金具3の先端部に接地電極27が配置されている。さらに、本実施形態において、本体部28は、自身の中心軸CL2と直交する断面において、矩形の角部に相当する部分が外側に凸の湾曲状とされた形状をされており、自身の長手方向に沿った幅が一定となるように構成されている。
突出部29は、直方体状をなしており、本実施形態では、Ptを主成分とする金属、又は、Irを主成分とする金属により形成されている。さらに、突出部29のうち中心電極5側に位置する面である放電面29Dは、中心電極5の先端面5Fと対向しており、放電面29Dと先端面5Fとの間には、間隙としての火花放電間隙33が形成されている。そして、火花放電間隙33に電圧を印加することで、火花放電間隙33にて軸線CL1にほぼ沿った方向で火花放電が生じるように構成されている。尚、本実施形態において、火花放電間隙33の大きさ(先端面5F及び放電面29D間の最短距離)が、所定数値範囲内(例えば、0.5mm以上1.1mm以下)に設定されている。
また、突出部29は、その先端面29Fが本体部28の先端面28Fから突出するとともに、前記放電面29Dが本体部28の内側面28Nから突出した状態で、本体部28の先端部に接合されている。加えて、突出部29の幅は、本体部28の幅よりも小さなものとされている。
さらに、本実施形態では、中心電極5、本体部28、及び、突出部29の配置位置が、次の位置関係を満たすように構成されている。
すなわち、図4に示すように、軸線CL1を直交する平面である第1平面VS1に、中心電極5の先端面5Fと接地電極27(本体部28及び突出部29)とを軸線CL1に沿って投影する。このとき、突出部29の投影領域29Pの少なくとも一部は、前記先端面5Fの投影領域5FPと重なるように構成されている。
さらに、前記第1平面VS1に、中心電極5と接地電極27とを軸線CL1に沿って投影したときに形成される角度θ1(°)及び角度θ2(°)と、図5に示すように、本体部28の先端部における本体部28の中心軸CL2と直交する第2平面VS2に、中心電極5と接地電極27とを前記中心軸CL2に沿って投影したときに形成される角度θ3(°)及び角度θ4(°)とが、0.30≦(θ1/θ2)×(θ3/θ4)≦0.67を満たすように構成されている。尚、角度θ1〜θ4は、0.32≦(θ1/θ2)×(θ3/θ4)≦0.61を満たすように構成することがより好ましい。
また、角度θ1は、次のように規定される。すなわち、図4に示すように、前記第1平面VS1に、中心電極5と接地電極27とを軸線CL1に沿って投影するとともに、本体部28の投影領域28Pのうち本体部28の先端面28Fの幅方向両端に対応する両端点E1,E2から、前記先端面5Fの投影領域5FPのうちその中心CPよりも本体部28の基端側とは反対側に位置する領域(図4中、散点模様を付した領域)に接し、かつ、それぞれ交差する2本の第1接線TL11,TL12を引く。このとき、両第1接線TL11,TL12により形成するとともに、本体部28の先端面28F側に位置する角の角度が角度θ1である。
尚、投影領域28Pのうち前記先端面28Fに対応する線と、投影領域28Pのうち本体部28の側面28S1,28S2(図3参照)に対応する2本の線との間が湾曲状である場合、前記先端面28Fに対応する線と前記側面28S1,28S2に対応する2本の線との交点を両端点E1,E2ということができる。
さらに、角度θ2は、次のように規定される。すなわち、前記第1平面VS1に、中心電極5と接地電極27とを軸線CL1に沿って投影するとともに、前記両端点E1,E2から、突出部29の投影領域29Pのうち突出部29の先端面29Fに対応する部位に接し、かつ、それぞれ交差する2本の第2接線TL21,TL22を引く。このとき、両第2接線TL21,TL22により形成されるとともに、突出部29の先端面29F側に位置する角の角度が角度θ2である。
加えて、角度θ3は、次のように規定される。すなわち、図5に示すように、前記第2平面VS2に、中心電極5と接地電極27とを前記中心軸CL2に沿って投影するとともに、本体部28の投影領域28Pのうち本体部28の内側面28Nの幅方向両端に対応する両端点E3,E4と、中心電極5の投影領域5Pのうち中心電極5の先端面5Fに対応する部位とを通過し、かつ、それぞれ交差する2本の第3接線TL31,TL32を引く。このとき、両第3接線TL31,TL32により形成されるとともに、本体部28の内側面28N側に位置する角の角度が角度θ3である。
併せて、角度θ4は、次のように規定される。すなわち、前記第2平面VS2に、中心電極5と接地電極27とを前記中心軸CL2に沿って投影するとともに、前記両端点E3,E4から、突出部29の投影領域29Pのうち突出部29の放電面29Dに対応する部位に接し、かつ、それぞれ交差する2本の第4接線TL41,TL42を引く。このとき、両第4接線TL41,TL42により形成されるとともに、突出部29の放電面29D側に位置する角の角度が角度θ4である。
また、図6に示すように、前記第2平面VS2に、中心電極5及び接地電極27を前記中心軸CL2に沿って投影する。そして、突出部29の投影領域29Pのうち突出部29の放電面29Dに相当する部位の幅をLe(mm)とし、中心電極5の投影領域5Pのうち中心電極5の先端面5Fに相当する部位の幅をLc(mm)とする。このとき、Le<Lcを満たすように構成されている。すなわち、中心電極5の先端面5Fの幅(外径)が、突出部29の放電面29Dの幅よりも大きくなるように構成されている。尚、本実施形態において、幅Leは所定数値範囲内(例えば、0.4mm以上0.7mm以下)とされており、幅Lcは所定数値範囲内(例えば、0.6mm以上1mm以下)とされている。また、本体部28の幅は、中心電極5の先端面5Fの外径よりも大きくされており、所定数値範囲内(例えば、2mm以上2.7mm以下)に設定されている。
さらに、図7(a),(b)に示すように、本体部28の中心軸CL2と直交する断面における、本体部28の先端部のうち突出部29よりも本体部28の基端側に位置する部位の断面積をSg(mm2)とし、図8(a),(b)に示すように、軸線CL1と直交する断面における、中心電極5の先端部(中心電極側チップ31)の断面積をSc(mm2)とする。このとき、2.9≦Sc+Sg≦4.25を満たすように構成されている。
尚、本実施形態において、本体部28のうち突出部29よりも本体部28の基端側に位置する部位は、前記中心軸CL2と直交する断面における断面積が、前記中心軸CL2に沿って一定となるように構成されている。また、中心電極5の先端部は、軸線CL1と直交する断面における断面積が、軸線CL1に沿って一定となるように構成されている。
以上詳述したように、本実施形態によれば、突出部29の投影領域29Pの少なくとも一部は、中心電極5の先端面5Fの投影領域5FPと重なるように構成されているため、主として突出部と中心電極の先端面との間において火花放電が生じることとなる。その上で、本実施形態では、Le<Lcを満たすように構成されており、中心電極5の先端面5Fの幅(外径)が、突出部29の幅よりも大きくなるように構成されている。従って、火花放電が吹き流された際における中心電極5の先端面5Fを這った火花放電の移動可能量を増大させることができ、火花放電をより長期間に亘って維持することができる。その結果、着火性の向上を図ることができる。
また、火花放電は、主として突出部と中心電極との間に生じるが、Le<Lcを満たすことで、突出部と中心電極との間だけでなく、中心電極と本体部との間においても火花放電を生じさせることができる。その結果、接地電極において火花放電に伴い消耗する部位を分散させることができ、耐久性を向上させることができる。
尚、Le<Lcを満たすことで、タンブル流が生じる条件であっても、良好な着火性を実現することができる。すなわち、本実施形態のスパークプラグ1は、タンブル流が生じる内燃機関に対して適用することが好ましい。
また、本実施形態では、2.9≦Sc+Sg≦4.25を満たすように構成されている。従って、中心電極5や本体部28の消耗体積を十分に確保しつつ、中心電極5や本体部28による消炎作用の抑制を図ることができる。その結果、着火性及び耐久性を一層向上させることができる。
さらに、0.30≦(θ1/θ2)×(θ3/θ4)≦0.67を満たすため、上述した着火性及び耐久性の向上効果を損なうことなく、着火性及び耐久性を一層向上させることができる。
尚、0.32≦(θ1/θ2)×(θ3/θ4)≦0.61を満たすことで、着火性及び耐久性をより一層向上させることができる。
また、突出部29は、Ptを主成分とする金属、又は、Irを主成分とする金属により形成されている。従って、突出部29の耐消耗性を良好なものとすることができ、耐久性を一層向上させることができる。また、良好な耐消耗性を確保できることから、突出部29の幅をより小さくすることができ、着火性の一層の向上を図ることができる。
次いで、上記実施形態によって奏される作用効果を確認すべく、前記幅Le(mm)、前記幅Lc(mm)、前記断面積Sg(mm2)、前記断面積Sc(mm2)、及び、前記角度θ1〜θ4(°)を種々変更したスパークプラグのサンプルを作製し、各サンプルについて、着火性評価試験、及び、耐久性評価試験を行った。
着火性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、各サンプルを所定の単気筒エンジンに取付けた上で、点火タイミングをMBT(最適点火位置)として、回転数1600rpmにて前記エンジンを動作させた。そして、空燃比(A/F)を徐々に増大(燃料を薄く)させつつ、各空燃比ごとにエンジントルクの変動率を測定し、エンジントルクの変動率が5%を上回ったときの空燃比を限界空燃比として特定した(尚、限界空燃比が大きいほど、着火性に優れるといえる)。さらに、突出部を備えず、本体部のみを有する接地電極を具備するとともに、接地電極の先端部側面が中心電極(中心電極側チップ)の先端面と対向し、かつ、中心電極(中心電極側チップ)の先端面の外径を0.6mmとした従来品のサンプルについて、上述の手法により限界空燃比(基準空燃比)を特定した。そして、各サンプルにおいて特定された限界空燃比と前記基準空燃比とを比較し、各サンプルにおける着火性を評価した。具体的には、特定された限界空燃比が基準空燃比よりも1.1以上大きくなったサンプルは、着火性に極めて優れるとして「◎」の評価を下し、限界空燃比が基準空燃比よりも0.0超1.1未満大きくなったサンプルは、良好な着火性を有するとして「○」の評価を下すこととした。一方で、限界空燃比が基準空燃比と同一又は基準空燃比よりも1.1未満小さくなったサンプルは、着火性にやや劣るとして「△」の評価を下し、限界空燃比が基準空燃比よりも1.1以上小さくなったサンプルは、着火性が不十分であるとして「×」の評価を下すこととした。
また、耐久性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、各サンプルを3気筒DOHC過給器付エンジンに取付けた上で、回転数6000rpmにて600時間に亘って前記エンジンを動作させた。その後、火花放電間隙の大きさ(ギャップ長)を計測し、試験前のギャップ長に対する増加値(ギャップ増加量)を算出した(尚、ギャップ増加量が小さいほど、耐久性に優れるといえる)。さらに、前記従来品サンプルについて、上述の手法によりギャップ増加量(基準増加量)を算出した。そして、各サンプルにおいて算出されたギャップ増加量と前記基準増加量とを比較し、各サンプルにおける耐久性を評価した。より詳しくは、算出されたギャップ増加量が基準増加量よりも0.21mm以上小さくなったサンプルは、非常に優れた耐久性を有するとして「◎」の評価を下し、ギャップ増加量が基準増加量よりも0.00mm超0.21mm未満小さくなったサンプルは、耐久性が良好であるとして「○」の評価を下すこととした。一方で、ギャップ増加量が基準増加量と同一又は基準増加量よりも0.21mm未満大きくなったサンプルは、耐久性にやや劣るとして「△」の評価を下し、ギャップ増加量が基準増加量よりも0.21mm以上大きくなったサンプルは、耐久性に劣るとして「×」の評価を下すこととした。
表1に、両試験の結果を示す。尚、表1には、参考として、各サンプルにおける本体部の幅と試験前のギャップ長とを合わせて示す。また、両試験において用いたエンジンは、それぞれ吸気ポートに工夫を加えることで、導入された新気により、燃焼室内でタンブル流が生じるように構成した。
Figure 0005809664
表1に示すように、突出部の幅Leを中心電極の先端部の幅Lc以上としたサンプル(サンプル1〜9)は、着火性に比較的劣ることが分かった。
さらに、Sc+Sgを2.90mm2未満としたサンプル(サンプル10)は、耐久性に劣り、Sc+Sgを4.25mm2超としたサンプル(サンプル11,12)は、着火性に比較的劣ることが確認された。
加えて、(θ1/θ2)×(θ3/θ4)を0.30未満としたサンプル(サンプル13〜15)は、着火性及び耐久性に劣ることが分かった。
これに対して、Le<Lc、2.9≦Sc+Sg≦4.25、及び、0.30≦(θ1/θ2)×(θ3/θ4)≦0.67を満たすサンプル(サンプル16〜28)は、着火性及び耐久性に双方において、良好な性能を有することが分かった。
さらに、0.32≦(θ1/θ2)×(θ3/θ4)≦0.61を満たすサンプル(サンプル19〜28)は、着火性及び耐久性の双方に優れることが明らかとなった。
尚、Le<Lcとしたことは、着火性の向上に寄与したと考えられる。すなわち、着火性の向上を図るという観点では、火花放電を長期間に亘って維持することが好ましい。そこで、燃焼室内においてスワール流が発生することを想定した従来技術では、幅Leを幅Lc以上とすることで、火花放電が吹き流された際における接地電極の表面を這った火花放電の移動可能量を増大させることで、火花放電が長期間維持されるようにしている。しかしながら、燃焼室内にタンブル流が発生する条件下では、図9(a)に示すように、幅Leを幅Lc以上としたときに、スワール流が発生する場合とは逆に、火花放電が容易に吹き消えてしまいやすくなる。その結果、火花放電の維持時間が比較的短くなってしまい、着火性の十分に向上させることができないと考えられる。これに対して、Le<Lcとすることで、図9(b)に示すように、燃焼室内にタンブル流が発生する条件下であっても、火花放電が吹き消えにくくなり、ひいては火花放電の維持時間の長期化を図ることができたと考えられる。
また、2.9≦Sc+Sg≦4.25を満たすことで、中心電極や本体部の消耗体積が十分に確保されるとともに、中心電極や本体部による消炎作用が軽減され、耐久性及び着火性の向上が図られたと考えられる。
さらに、0.30≦(θ1/θ2)×(θ3/θ4)≦0.67を満たすことで、Le<Lcや2.9≦Sc+Sg≦4.25を満たすことによる作用効果が損なわれることなく、着火性及び耐久性がさらに高められたと考えられる。
尚、(θ1/θ2)×(θ3/θ4)が上述の数値範囲を満たすことが好ましいという知見は、本願発明者による次の着眼に基づいて得られた。すなわち、角度θ1〜θ4の大きさを変更した場合、着火性が向上する一方で、耐久性が低下するときもあれば、耐久性が向上する一方で、着火性が低下するときもある。
具体的には、本体部の幅(より詳しくは、両端点E1,E2間の距離)と中心電極の先端面の外径とを一定とした場合において、本体部の先端面に対する突出部の突出方向に沿って本体部の先端面から中心電極の先端面がより離間すると、図10(a)に示すように、角度θ1がより小さなものとなる。この場合には、本体部のうち中心電極との間で火花放電を生じ得る部位の面積が減少するため、中心電極と突出部との間で火花放電が集中的に生じやすくなるとともに、突出部の先端側と中心電極との間で火花放電が生じやすくなるため、突出部が過熱されやすくなり、結果的に、耐久性が低下する。その一方で、本体部の先端面から中心電極の先端面がより離間すると、本体部による消炎作用がより抑制されるため、着火性が向上する。また、前記突出方向に沿って本体部の先端面に対して中心電極の先端面がより接近すると、角度θ1がより大きなものとなり、この場合には、耐久性が向上する一方で、着火性が低下する。
さらに、本体部及び突出部の位置関係と中心電極の先端面の外径とを一定とした場合において、本体部の幅をより小さなものとすると、図10(b)に示すように、角度θ1がより小さなものとなる。この場合には、本体部のうち中心電極との間で火花放電を生じ得る部位の面積が減少するとともに、本体部の断面積の減少により突出部の熱引きが不十分となる(突出部が過熱されやすくなる)ため、耐久性が低下する。その一方で、本体部による消炎作用が抑制されるため、着火性が向上する。また、本体部の幅をより大きなものとすると、角度θ1がより大きなものとなり、この場合には、耐久性が向上する一方で、着火性が低下する。
加えて、本体部及び突出部の位置関係と本体部の幅とを一定とした場合において、中心電極の先端面の外径をより大きなものとすると、図10(c)に示すように、角度θ1がより小さなものとなる。この場合には、中心電極の先端面の面積が増大し、さらに、中心電極の体積の増大に伴い中心電極の熱引きが良好となるため、耐久性が向上する。その一方で、中心電極による消炎作用がより増大するため、着火性が低下する。すなわち、上記同様に角度θ1を小さくしても、耐久性及び着火性の優劣はそれぞれ上記とは逆の結果となる。また、中心電極の先端面の外径をより小さなものとすると、角度θ1がより大きなものとなり、この場合には、耐久性が低下する一方で、着火性が向上する。すなわち、上記同様に角度θ1を大きくしても、耐久性及び着火性の優劣はそれぞれ上記とは逆の結果となる。
以上のように、角度θ1の大きさに合わせて、着火性や耐久性の優劣は一義的に定まるものではない。
また、本体部の幅(より詳しくは、両端点E1,E2間の距離)と中心電極の先端面の外径とを一定とした場合において、本体部の先端面に対する突出部の突出長をより大きなものとすると、図11(a)に示すように、角度θ2がより小さなものとなる。この場合には、突出部の熱が引かれにくくなり、突出部(特にその先端部)が過熱されやすくなるため、耐久性が低下する。その一方で、火花放電が本体部から離間した位置で生じやすくなるため、本体部による消炎作用が低減され、着火性が向上する。また、突出部の突出長をより小さなものとすると、角度θ2がより大きなものとなり、この場合には、耐久性が向上する一方で、着火性が低下する。
さらに、本体部及び突出部の位置関係と本体部の先端面に対する突出部の突出長とを一定とした場合において、本体部の幅をより小さなものとすると、図11(b)に示すように、角度θ2がより小さなものとなる。この場合には、本体部のうち中心電極との間で火花放電を生じ得る部位の面積が減少するとともに、本体部による突出部の熱引きが不十分となる(突出部が過熱されやすくなる)ため、耐久性が低下する。その一方で、本体部による消炎作用が抑制されるため、着火性が向上する。また、本体部の幅をより大きなものとすると、角度θ2がより大きなものとなり、この場合には、耐久性が向上する一方で、着火性が低下する。
加えて、本体部の幅と本体部の先端面に対する突出部の突出長とを一定とした場合において、突出部の幅をより大きなものとすると、図11(c)に示すように、角度θ2がより小さなものとなる。この場合には、突出部の放電面の面積が増大し、耐久性が向上する一方で、突出部による消炎作用が増大し、着火性が低下する。すなわち、上記同様に角度θ2を小さくしても、耐久性及び着火性の優劣はそれぞれ上記とは逆の結果となる。また、突出部の幅をより小さなものとすると、角度θ2がより大きなものとなり、この場合には、耐久性が低下する一方で、着火性が向上する。すなわち、上記同様に角度θ2を大きくしても、耐久性及び着火性の優劣はそれぞれ上記とは逆の結果となる。
以上のように、角度θ2の大きさに合わせて、着火性や耐久性の優劣は一義的に定まるものではない。
また、本体部の幅(より詳しくは、両端点E3,E4間の距離)と中心電極の先端面の外径とを一定とした場合において、火花放電間隙の大きさをより大きなものとすると、図12(a)に示すように、角度θ3がより小さなものとなる。この場合には、放電電圧が増大するため、耐久性が低下する。その一方で、中心電極や本体部による消炎作用が低減され、かつ、火花放電間隙が大きくなるため、着火性が向上する。また、火花放電間隙の大きさをより小さなものとすると、角度θ3がより大きなものとなり、この場合には、耐久性が向上する一方で、着火性が低下する。
さらに、中心電極の先端面の外径と火花放電間隙の大きさとを一定とした場合において、本体部の幅をより小さなものとすると、図12(b)に示すように、角度θ3がより小さなものとなる。この場合には、本体部のうち中心電極との間で火花放電を生じ得る部位の面積が減少するとともに、本体部による突出部の熱引きが不十分となるため、耐久性が低下する。その一方で、本体部による消炎作用が抑制されるため、着火性が向上する。また、本体部の幅をより大きなものとすると、角度θ3がより大きなものとなり、この場合には、耐久性が向上する一方で、着火性が低下する。
加えて、本体部の幅と火花放電間隙の大きさとを一定とした場合において、中心電極の先端面の外径をより大きなものとすると、図12(c)に示すように、角度θ3がより小さなものとなる。この場合には、中心電極の先端面の面積が増大し、さらに、中心電極の体積の増大に伴い中心電極の熱引きが良好となるため、耐久性が向上する。その一方で、中心電極による消炎作用が増大するため、着火性が低下する。すなわち、上記同様に角度θ3を小さくしても、耐久性及び着火性の優劣はそれぞれ上記とは逆の結果となる。また、中心電極の外径をより小さなものとすると、角度θ3がより大きなものとなり、この場合には、耐久性が低下する一方で、着火性が向上する。すなわち、上記同様に角度θ3を大きくしても、耐久性及び着火性の優劣はそれぞれ上記とは逆の結果となる。
以上のように、角度θ3の大きさに合わせて、着火性や耐久性の優劣は一義的に定まるものではない。
また、本体部の幅と突出部の放電面の幅とを一定とし、かつ、火花放電間隙の大きさを一定とした場合において、本体部の内側面に対する突出部の放電面の突出長をより大きなものとすると、図13(a)に示すように、角度θ4がより小さなものとなる。この場合には、突出部における熱引きが低下するとともに、本体部のうち中心電極との間で火花放電を生じ得る部位の面積が低減するため、耐久性が低下する。その一方で、本体部による消炎作用が低減するため、着火性が向上する。また、突出部の突出長をより小さなものとすると、角度θ4がより大きなものとなり、この場合には、耐久性が向上する一方で、着火性が低下する。
さらに、突出部の放電面の幅と本体部の内側面に対する突出部の放電面の突出長とを一定とした場合において、本体部の幅をより小さなものとすると、図13(b)に示すように、角度θ4がより小さなものとなる。この場合には、本体部のうち中心電極との間で火花放電を生じ得る部位の面積が減少するとともに、本体部による突出部の熱引きが不十分となるため、耐久性が低下する。その一方で、本体部による消炎作用が抑制されるため、着火性が向上する。また、本体部の幅をより大きなものとすると、角度θ4がより大きなものとなり、この場合には、耐久性が向上する一方で、着火性が低下する。
加えて、本体部の幅と本体部の内側面に対する突出部の放電面の突出長とを一定とした場合において、突出部の放電面の幅をより大きなものとすると、図13(c)に示すように、角度θ4がより小さなものとなる。この場合には、突出部の放電面の面積が増大し、さらに、突出部の体積の増大に伴い突出部の熱引きが良好となるため、耐久性が向上する。その一方で、突出部による消炎作用が増大するため、着火性が低下する。すなわち、上記同様に角度θ4を小さくしても、耐久性及び着火性の優劣はそれぞれ上記とは逆の結果となる。また、突出部の放電面の幅をより小さなものとすると、角度θ4がより大きなものとなり、この場合には、耐久性が低下する一方で、着火性が向上する。すなわち、上記同様に角度θ4を大きくしても、耐久性及び着火性の優劣はそれぞれ上記とは逆の結果となる。
以上のように、角度θ4の大きさに合わせて、着火性や耐久性の優劣は一義的に定まるものではない。
上記の通り、それぞれの角度θ1〜θ4を単に増減させただけでは、着火性及び耐久性を向上させることができないおそれがある。その一方で、角度θ1〜θ4は、耐久性及び着火性の優劣と関係があり、また、1つの角度を変更した際に、それに合わせてその他の角度が変化する場合があるなど、それぞれが密接に関連している。この点を鑑みて、本願発明者が鋭意検討したところ、上述の試験結果が得られ、0.30≦(θ1/θ2)×(θ3/θ4)≦0.67を満たすことで、着火性及び耐久性を向上できることが見出された。また、0.32≦(θ1/θ2)×(θ3/θ4)≦0.61を満たすことで、着火性及び耐久性をより一層向上できることが見出された。
尚、上記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。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。
(a)上記実施形態において、本体部28は、前記中心軸CL2と直交する断面において、矩形の角部に相当する部分が外側に凸の湾曲状とされた形状をされているが、本体部28の形状はこれに限定されるものではない。従って、例えば、図14(a)に示すように、本体部38が断面矩形状をなすように構成してもよい。また、図14(b)に示すように、内側面39Nに隣接する両側面39S1,39S2が外側に向けて凸の湾曲面状をなすように本体部39を構成してもよい。さらに、図14(c)に示すように、前記中心軸CL2と直交する断面において、矩形の角部に相当する部位が面取り形状となるように本体部40を構成してもよい。さらに、図14(d)に示すように、本体部41の外周面のうち内側面41N以外の面が外側に凸の湾曲面状をなすように構成してもよい。
(b)上記実施形態において、突出部29は直方体状とされているが、突出部の形状はこれに限定されるものではない。従って、例えば、突出部を円柱状や多角柱状としてもよい。
(c)上記実施形態では、本体部28に対してこれとは別体の突出部29が接合されることで接地電極27が構成されているが、1の材料により本体部及び突出部を形成し、本体部及び突出部を一体としてもよい。
(d)上記実施形態において、中心電極5は中心電極側チップ31を備えているが、中心電極5に中心電極側チップ31を設けないこととしてもよい。
(e)上記実施形態では、主体金具3の先端部26に、接地電極27が接合される場合について具体化しているが、主体金具の一部(又は、主体金具に予め溶接してある先端金具の一部)を削り出すようにして接地電極を形成する場合についても適用可能である(例えば、特開2006−236906号公報等)。
(f)上記実施形態では、工具係合部19は断面六角形状とされているが、工具係合部19の形状に関しては、このような形状に限定されるものではない。例えば、Bi−HEX(変形12角)形状〔ISO22977:2005(E)〕等とされていてもよい。
1…スパークプラグ、2…絶縁碍子(絶縁体)、3…主体金具、4…軸孔、5…中心電極、5F…(中心電極の)先端面、5FP…(中心電極の先端面の)投影領域、5P…中心電極の)投影領域、27…接地電極、28…本体部、28F…(本体部の)先端面、28N…内側面、28P…(本体部の)投影領域、29…突出部、29D…放電面、29P…(突出部の)投影領域、33…火花放電間隙(間隙)、CL1…軸線、CL2…(本体部の)中心軸、TL11,TL12…第1接線、TL21,TL22…第2接線、TL31,TL32…第3接線、TL41,TL42…第4接線、VS1…第1平面、VS2…第2平面。

Claims (4)

  1. 軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、
    前記軸孔の先端側に挿設された中心電極と、
    前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
    前記主体金具の先端部に配置された棒状の接地電極とを備え、
    前記接地電極は、
    自身の先端部に、平坦状の先端面及び前記中心電極の先端面側を向く平坦状の内側面を具備し、自身の基端部が前記主体金具の先端部に固定された棒状の本体部と、
    前記本体部の先端面及び前記本体部の内側面から突出した状態で前記本体部の先端部に配置され、自身の幅が前記本体部の幅よりも小さい突出部とを有し、
    前記突出部のうち前記中心電極側に位置する放電面と、前記中心電極の先端面との間に間隙が形成されたスパークプラグであって、
    前記軸線と直交する第1平面に、前記中心電極の先端面と前記接地電極とを前記軸線に沿って投影したときにおいて、前記突出部の投影領域の少なくとも一部は、前記中心電極の先端面の投影領域と重なり、
    下記の幅Le(mm)、幅Lc(mm)、断面積Sg(mm)、断面積Sc(mm)角度θ1(°)、角度θ2(°)、角度θ3(°)、及び、角度θ4(°)が、次の式(1)、(2)、及び、(3)を満たすことを特徴とするスパークプラグ。
    Le<Lc…(1)
    2.9≦Sc+Sg≦4.25…(2)
    0.30≦(θ1/θ2)×(θ3/θ4)≦0.67…(3)
    幅Le:前記本体部の先端部における前記本体部の中心軸と直交する第2平面に、前記接地電極を前記中心軸に沿って投影したときにおける、前記突出部の投影領域のうち前記突出部の放電面に相当する部位の幅。
    幅Lc:前記第2平面に、前記中心電極を前記中心軸に沿って投影したときにおける、前記中心電極の投影領域のうち前記中心電極の先端面に相当する部位の幅。
    断面積Sg:前記本体部の中心軸と直交する断面における、前記本体部の先端部のうち前記突出部よりも前記本体部の基端側に位置する部位の断面積。
    断面積Sc:前記軸線と直交する断面における、前記中心電極の先端部の断面積。
    角度θ1:前記第1平面に、前記中心電極と前記接地電極とを前記軸線に沿って投影するとともに、前記本体部の投影領域のうち前記本体部の先端面の幅方向の2つの端に対応する2つの端点から、前記中心電極の先端面の投影領域のうちその中心よりも前記本体部の基端側とは反対側に位置する領域に接し、かつ、それぞれ交差する2本の第1接線を引いたときにおいて、当該2本の第1接線により形成されるとともに、前記本体部の先端面側に位置する角の角度。
    角度θ2:前記第1平面に、前記中心電極と前記接地電極とを前記軸線に沿って投影するとともに、前記本体部の投影領域のうち前記本体部の先端面の幅方向の2つの端に対応する2つの端点の一方の端点から前記突出部の投影領域のうち前記突出部の先端面に対応する部位の前記一方の端点の最も近い部分に接し、前記2つの端点の他方の端点から前記突出部の投影領域のうち前記突出部の先端面に対応する部位の前記他方の端点に最も近い部位に接し、かつ、それぞれが交差する2本の第2接線を引いたとき、当該2本の第2接線により形成されるとともに、前記突出部の先端面側に位置する角の角度。
    角度θ3:前記第2平面に、前記中心電極と前記接地電極とを前記中心軸に沿って投影するとともに、前記本体部の投影領域のうち前記本体部の内側面の幅方向の2つの端に対応する2つの端点の一方の端点から前記中心電極の投影領域のうち前記中心電極の先端面に対応する部位の前記一方の端点に最も近い部分に接し、前記2つの端点の他方の端点から前記中心電極の投影領域のうち前記中心電極の先端面に対応する部位の前記他方の端点に最も近い部分に接し、かつ、それぞれが交差する2本の第3接線を引いたときにおいて、当該2本の第3接線により形成されるとともに、前記本体部の内側面側に位置する角の角度。
    角度θ4:前記第2平面に、前記中心電極と前記接地電極とを前記中心軸に沿って投影するとともに、前記本体部の投影領域のうち前記本体部の内側面の幅方向の2つの端に対応する2つの端点の一方の端点から前記突出部の投影領域のうち前記突出部の放電面に対応する部位の前記一方の端点に最も近い部分に接し、前記2つの端点の他方の端点から前記突出部の投影領域のうち前記突出部の放電面に対応する部位の前記他方の端点に最も近い部分に接し、かつ、それぞれが交差する2本の第4接線を引いたとき、当該2本の第4接線により形成されるとともに、前記突出部の放電面側に位置する角の角度。
  2. 0.32≦(θ1/θ2)×(θ3/θ4)≦0.61
    を満たすことを特徴とする請求項1に記載のスパークプラグ。
  3. 前記突出部は、白金を主成分とする金属からなる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。
  4. 前記突出部は、イリジウムを主成分とする金属からなる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。
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