JP5870629B2 - 内燃機関用のスパークプラグ及びその取付構造 - Google Patents

Description

本発明は、自動車、自動二輪、コージェネレーション、ガス圧送用ポンプ等に使用する内燃機関用のスパークプラグ及びその取付構造に関する。

従来より、図１２に示すごとく、例えば、自動車等の内燃機関の燃焼室に導入される混合気の着火手段として用いられる内燃機関用のスパークプラグ９がある。
上記スパークプラグ９は、中心電極９４と接地電極９５とを有する。該接地電極９５はその一端がハウジング９２に固定されると共に屈曲して、他端を中心電極９４に対向する位置に配置されることで、中心電極９４との間に火花放電ギャップ９１１を形成している。また、上記接地電極９５には、火花放電ギャップ９１１へ向かって突出した突起部９６が配されている（特許文献１参照）。そして、図１３（Ａ）、（Ｂ）に示すごとく、火花放電ギャップ９１１において放電がなされ、この放電により混合気に着火する。なお、図中の符号Ｅは放電により形成される放電火花を示し、符号Ｆは混合気の気流を示し、符号Ｉは火炎を示す。

ここで、近年では、燃費向上を企図した希薄燃焼による内燃機関が種々開発されており、かかる希薄燃焼においては混合気への着火性を保持すべく、燃焼室内の混合気の流速を大きくする設計がなされている。その一方で、火花放電ギャップにおいては、燃焼室内の気流方向に対する接地電極の位置関係によって着火性能が大きく左右される。そのため、上記混合気の気流方向に対する接地電極の相対位置を調整する。つまり、接地電極が気流の上流側或いは下流側に配されないようにスパークプラグを内燃機関に取付ける技術が提案されている（特許文献２参照）。

ところで、上記希薄燃焼の内燃機関では、良好な燃焼を達成するために、混合気を燃焼室内に直接噴射するいわゆる筒内直噴システムが採用されることもある。かかる筒内直噴システムにおいては、スパークプラグにおける火花放電ギャップ付近の混合気を濃くして着火性を確保している。そのため、不完全燃焼に起因するスパークプラグのカーボン汚損
、つまり、スパークプラグの碍子先端部にカーボンが付着して導電状態となり、接地電極との間で適切に放電が得られなくなる問題が課題となっている。かかる課題に対して、図１４に示すごとく、メインギャップ９１２を形成する主接地電極９５１と、サブギャップ９１３を形成する副接地電極９５２とを構成する耐カーボン汚損性の向上を企図したスパークプラグ９０が提案されている（特許文献３、４参照）。

特開２００３−３１７８９６号公報 特開平１１−３２４８７８号公報 特許第３２７２６１５号公報 特許第３１４０００６号公報

しかしながら、上記希薄燃焼においては、上述のごとく焼室内の混合気の流速が大きい。そのため、例えば、上述した特許文献１のスパークプラグ９を使用した場合においては、混合気の流速が大きくなる分、図１３（Ｃ）に示すごとく、火花放電ギャップ９１１において混合気が放電火花Ｅによって温められる前に、放電火花Ｅが引き伸ばされて切れやすくなってしまう。放電火花Ｅが消えた場合は、気流Ｆの下流側における中心電極９４の先端部（突起部９４１）の角部と接地電極９５の突起部９６の角部との間において、再度放電する現象（以下、これを再放電という）が生じ、これが繰り返されることとなる。つまり、気流Ｆによって一定の方向、すなわち下流側に絶えず放電火花Ｅが流されることで、中心電極９４の先端部（突起部９４１）の角部と突起部９６の角部との間において再放電が繰り返され、この部分が偏って消耗しやすくなる（以下、これを偏消耗という）。その結果、スパークプラグ９の寿命が低下してしまうという問題が生じていた。

また、図１４に示す上述した特許文献３、４のスパークプラグ９０を用いる場合においても、メインギャップ９１２に向かう気流Ｆを阻害しないようにすべく、主接地電極９５１が混合気の気流Ｆの上流側又は下流側に配されないようにする必要がある。ところが、主接地電極９５１をそのような位置に配置すると、図１５に示すごとく、副接地電極９５２が気流Ｆの上流側及び下流側に位置することとなり、副接地電極９５２が気流Ｆを阻害してしまうおそれがある。したがって、スパークプラグ９０を用いる場合には、どのような姿勢で内燃機関にスパークプラグ９０を取付けても、主接地電極９５１と副接地電極９５２とのいずれかが気流Ｆを阻害し、着火性の低下を招くおそれがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであって、耐カーボン汚損性を維持しつつ、着火性及び寿命を向上させることができる内燃機関用のスパークプラグ及びその取付構造を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、筒状のハウジングと、碍子先端部が上記ハウジングから突出するように上記ハウジングの内側に保持された筒状の絶縁碍子と、先端部が突出するように上記絶縁碍子の内側に保持された中心電極と、上記ハウジングに接続されると共に上記中心電極にプラグ軸方向から対向する対向部を有して上記中心電極との間にメインギャップを形成する主接地電極と、上記ハウジングに接続されると共に上記碍子先端部における外周側角部との間に第１サブギャップを形成する第１副接地電極と、上記ハウジングに接続されると共に上記碍子先端部における外周側角部との間に第２サブギャップを形成する第２副接地電極とを備えた内燃機関用のスパークプラグであって、
上記第１副接地電極と上記第２副接地電極とは、上記プラグ軸方向からみて、上記主接地電極の上記対向部を挟んで対向して配されており、
上記ハウジングからの上記中心電極の突出長さをＨｃ、上記メインギャップの大きさをＧｍ、上記第１副接地電極の上記ハウジングの先端からの突出長さをＨｓ１、上記第２副接地電極の上記ハウジングの先端からの突出長さをＨｓ２、上記第１サブギャップのプラグ径方向長さをＧｓ１、上記第２サブギャップのプラグ径方向長さをＧｓ２、上記碍子先端部の外周側角部と内周側角部との間のプラグ径方向距離をＧｇとしたとき、
Ｈｓ１＜Ｈｃ＋Ｇｍ、Ｇｍ＜Ｇｓ１＋Ｇｇ、Ｇｍ＜Ｇｓ２＋Ｇｇ、Ｈｓ２≧Ｈｓ１、Ｈｃ＜Ｈｓ２、Ｈｓ１＜Ｈｃを満たすことを特徴とする内燃機関用のスパークプラグにある（請求項１）。

また、他の態様は、上記スパークプラグを内燃機関に取付けてなるスパークプラグの取付構造であって、燃焼室に配された上記第１副接地電極は、上記第２副接地電極よりも上記燃焼室に供給される混合気の気流の上流側となるように配置されていることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグの取付構造にある（請求項４）。

上記スパークプラグは、上記第１副接地電極と上記第２副接地電極とが、上記プラグ軸方向からみて、上記主接地電極の上記対向部を挟んで対向して配されている。これによって、上記主接地電極が混合気の気流の上流側或いは下流側に配されないようにしつつ、上記第１副接地電極を気流の上流側に配し、上記第２副接地電極を気流の下流側に配した状態で上記スパークプラグを内燃機関に取付けることができる。

そして、上記第１副接地電極の上記ハウジングの先端からの突出長さＨｓ１は、Ｈｓ１＜Ｈｃ＋Ｇｍを満たす。これによって、上記配置状態において、上記メインギャップに向かう気流を、上流側に配された上記第１副接地電極によって阻害することを防ぐことができ、上記メインギャップに気流を侵入させることができる。その結果、上記メインギャップにおいて混合気への着火が容易となると共に、火炎を成長させやすくできるため、上記スパークプラグの着火性を向上させることができる。

また、上記スパークプラグにカーボン汚損が発生した際、つまり、上記スパークプラグの上記碍子先端部にカーボン汚損が生じて導電状態となり、主接地電極との間で適切に放電が得られなくなったとき、上記第１サブギャップにおいて放電させることができる。そして、このときの放電火花によりカーボンを焼き切って排除することができる。これにより、カーボンの排除部分については、上述の導電状態から絶縁状態に回復でき、上記碍子先端部の絶縁性を維持することができる。そのため、上記中心電極と上記主接地電極との間で適切な放電を行うことができ、放電火花を得ることができる。このように、耐カーボン汚損性を維持することができ、上記スパークプラグの寿命を向上させることができる。

また、上記スパークプラグは、Ｇｍ＜Ｇｓ１＋Ｇｇ、Ｇｍ＜Ｇｓ２＋Ｇｇを満たす。これによって、カーボン汚損が発生する前の上記スパークプラグにおいては、上記中心電極と上記第１副接地電極との間、或いは上記中心電極と上記第２副接地電極との間で放電火花が生じることを防ぐことができ、上記メインギャップにおいて正常に放電火花を得ることができる。その結果、上記メインギャップにおいて混合気へ着火しやすくなり、火炎を成長させやすくできるため、上記スパークプラグの着火性を向上させることができる。

また、上記スパークプラグは、上記第１副接地電極の上記ハウジングの先端からの突出長さをＨｓ１、上記第２副接地電極の上記ハウジングの先端からの突出長さをＨｓ２、上記ハウジングからの上記中心電極の突出長さをＨｃとしたとき、Ｈｓ２≧Ｈｓ１、Ｈｃ＜Ｈｓ２を満たす。これによって、上記配置状態において、上記メインギャップに生じた放電火花が気流によって大きく引き伸ばされたとき、この放電火花を上記第２副接地電極によって受け止めることができる。つまり、放電火花が大きく引き伸ばされて切れてしまうことを防ぎ、上記中心電極と上記第２副接地電極との間において、放電火花を持続することができる。そのため、放電切れと再放電との繰り返しを抑制することができる。その結果、上記中心電極や上記主接地電極の消耗を抑制でき、上記スパークプラグの寿命を向上させることができる。また、上記のように放電火花を持続させることができるため、着火機会を充分に確保でき、上記スパークプラグの着火性を向上させることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、耐カーボン汚損性を維持しつつ、着火性及び寿命を向上させることができる内燃機関用のスパークプラグ及びその取付構造を提供することができる。

実施例１における、スパークプラグの部分断面による説明図。 実施例１における、スパークプラグの先端部分の部分断面による説明図。 実施例１における、スパークプラグの底面図。 実施例１における、スパークプラグの燃焼室内への取付状態の説明図。 実施例１における、スパークプラグの（Ａ）中心電極と主接地電極との間での放電状態の説明図、（Ｂ）中心電極と第１副接地電極との間での放電状態の説明図。 実施例１における、スパークプラグの（Ａ）中心電極と主接地電極との間での放電火花の引き伸ばし状態の説明図、（Ｂ）第２副接地電極へ移動後の放電火花の放電状態の説明図。 実験例１における、Ａ／Ｆ限界値比を示す図。 実験例２における、再放電回数比を示す線図。 実施例２における、スパークプラグの先端部分の部分断面による説明図。 図９のＡ−Ａ線矢視断面図。 実施例３における、スパークプラグの先端部分の部分断面による説明図。 背景技術における、スパークプラグの先端部分の説明図。 背景技術における、スパークプラグの先端部分の説明図であって、（Ａ）放電時の状態を示す説明図、（Ｂ）放電火花が気流によって引き伸ばされた状態の説明図、（Ｃ）放電切れの状態を示す説明図。 背景技術における、サブギャップを形成する副接地電極を有するスパークプラグの先端部分の説明図。 背景技術における、サブギャップを形成する副接地電極を有するスパークプラグの燃焼室内への取付状態の説明図。

上記内燃機関用のスパークプラグは、例えば、自動車、自動二輪、コージェネレーション、ガス圧送用ポンプ等における内燃機関の着火手段として用いることができる。
また、本明細書においては、上記スパークプラグを、内燃機関の燃焼室内に挿入する側を先端側、その反対側を基端側として説明する。
なお、上記第１副接地電極が、上記第２副接地電極よりも上記燃焼室に供給される混合気の気流の上流側となるように配置するには、周知技術（例えば、特開平１１−３２４８７８号公報、特開平１１−３５１１１５号公報）を用いることで容易に実現できる。

また、上記スパークプラグは、Ｇｓ１＜Ｇｍを満たすことが好ましい（請求項２）。この場合には、上記スパークプラグにカーボン汚損が発生した際、上記第１サブギャップにおいて放電させやすくでき、上記第１副接地電極と上記中心電極との間に放電火花を得やすくすることができる。そのため、耐カーボン汚損性を確保しやすくすることができる。

また、上記スパークプラグは、Ｈｓ１＜Ｈｃを満たす。この場合には、上記メインギャップに向かう気流を上記第１副接地電極によって阻害することを確実に防ぐことができ、上記メインギャップに気流を侵入させやすくすることができる。そのため、上記メインギャップにおいて放電火花の混合気への着火による火炎を得ることができ、火炎を成長させやすくすることができる。その結果、スパークプラグの着火性を効果的に向上させることができる。

また、上記スパークプラグは、Ｈｓ２＜Ｈｃ＋Ｇｍを満たすことが好ましい（請求項３）。この場合には、第１サブギャップ側から上記メインギャップに侵入した気流を、第２サブギャップ側に通過させやすくすることができる。そのため、上記メインギャップにおいて混合気へ着火させやすくすることができ、火炎を成長させやすくすることができる。その結果、スパークプラグの着火性を効果的に向上させることができる。

（実施例１）
実施例にかかるスパークプラグにつき、図１〜図６を用いて説明する。
本例のスパークプラグ１は、図１に示すごとく、筒状のハウジング２と、碍子先端部３１がハウジング２から突出するようにハウジング２の内側に保持された筒状の絶縁碍子３と、先端部が突出するように絶縁碍子３の内側に保持された中心電極４と、ハウジング２にそれぞれ接続された主接地電極５１、第１副接地電極５２及び第２副接地電極５３とを備えている。

図２に示すごとく、主接地電極５１は、中心電極４にプラグ軸方向から対向する対向部５１１を有して中心電極４との間にメインギャップ６１を形成している。
第１副接地電極５２は、碍子先端部３１における外周側角部３１１との間に第１サブギャップ６２を形成している。
第２副接地電極５３は、碍子先端部３１における外周側角部３１１との間に第２サブギャップ６３を形成している。
また、図３に示すごとく、第１副接地電極５２と第２副接地電極５３とは、プラグ軸方向からみて、主接地電極５１の対向部５１１を挟んで対向して配されている。

また、スパークプラグ１は、以下の条件を満たすように形成されている。すなわち、図２に示すごとく、スパークプラグ１は、ハウジング２からの中心電極４の突出長さをＨｃ、メインギャップ６１の大きさをＧｍ、第１副接地電極５２のハウジング２の先端からの突出長さをＨｓ１、第２副接地電極５３のハウジング２の先端からの突出長さをＨｓ２、第１サブギャップ６２のプラグ径方向長さをＧｓ１、第２サブギャップ６３のプラグ径方向長さをＧｓ２、碍子先端部３１の外周側角部３１１と内周側角部３１２との間のプラグ径方向距離をＧｇとしたとき、Ｈｓ１＜Ｈｃ＋Ｇｍ、Ｇｍ＜Ｇｓ１＋Ｇｇ、Ｇｍ＜Ｇｓ２＋Ｇｇ、Ｈｓ２≧Ｈｓ１、Ｈｃ＜Ｈｓ２を満たす。
また、スパークプラグ１は、Ｇｓ１＜Ｇｓ２を満たす。

また、本例のスパークプラグ１において、ハウジング２の直径は１０ｍｍ、ハウジング２の先端部における肉厚は１．４ｍｍである。

また、図１〜図３に示すごとく、主接地電極５１は、一端がハウジング２の先端部に固定されると共に先端側に立設する立設部５１２と、立設部５１２の他端から屈曲して中心電極４にプラグ軸方向から対向する対向部５１１とを有している。
また、本例では、この対向部５１１における中心電極４に対向する面において、突起部５１３が配されている（図３においては図示略）。なお、本例の突起部５１３は、対向部５１１の内部に埋設されて配置されているが、これに限定されるものではない。
また、本例の中心電極４の先端部は、略円柱状をなす突起部４１を構成している。

また、突起部５１３及び突起部４１は、貴金属チップによって構成されている。本例の主接地電極５１の対向部５１１に配されている突起部５１３は、例えば、白金合金から構成されている。
また、中心電極４の先端部に配されている突起部４１は、例えば、イリジウム合金から構成されている。しかし、これらに限定されものではなく、例えば、ロジウム合金、タングステン合金等の高融点部材を用いて突起部４１を構成してもよい。
そして、本例では、主接地電極５１の対向部５１１に貴金属チップが溶接によって接合され、この貴金属チップによって、突起部５１３が構成されている。

また、第１副接地電極５２及び第２副接地電極５３は、一端がハウジング２の先端部に固定されると共に先端側に立設する立設部５２２、５３２と、立設部５２２、５３２の他端から屈曲して中心電極４にプラグ軸方向に直交する方向から対向する対向部５２１、５３１とを有している。

また、ハウジング２、主接地電極５１の母材（突起部５１３以外の部位）、第１副接地電極５２及び第２副接地電極５３の母材はニッケル合金からなる。
なお、本例のスパークプラグ１は、自動車等の車両用の内燃機関に用いられる。

次に、本例のスパークプラグ１の内燃機関８への取付構造につき、図４を用いて説明する。
スパークプラグ１の内燃機関８への取付に際して、例えば、周知技術（例えば、特開平１１−３２４８７８号公報、特開平１１−３５１１１５号公報）を用いて、図４に示すごとく、燃焼室８０における混合気の気流Ｆの方向に対して主接地電極５１の位置を調節して、スパークプラグ１を内燃機関８へ取付ける。

具体的には、図４に示すごとく、気流Ｆの方向に対して、主接地電極５１の対向部５１１の延設方向（図３に示す破線Ｌ５）が直交するように調節して、スパークプラグ１を内燃機関８に取付ける。つまり、主接地電極５１の立設部５１２が気流Ｆを遮蔽しないようにスパークプラグ１を内燃機関８に取付ける。
また、図４に示すごとく、燃焼室８０に配された第１副接地電極５２は、第２副接地電極５３よりも燃焼室８０に供給される混合気の気流Ｆの上流側に配置されるようにする。

次に、本例のスパークプラグ１の放電時の放電火花Ｅの状態につき、図５、図６を用いて詳細に説明する。
中心電極４と主接地電極５１との間に所定の電圧を印加することにより、メインギャップ６１に放電させる際には、図５（Ａ）に示すごとく、中心電極４と主接地電極５１との間のメインギャップに６１において初期の放電火花Ｅを得ることができる。つまり、メインギャップ６１の大きさＧｍが最も小さく電界強度が高くなりやすいため、メインギャップ６１において、初期の放電火花Ｅが生じる。

そして、図５（Ｂ）に示すごとく、スパークプラグ１にカーボン汚損が発生した際、つまり、スパークプラグ１の碍子先端部３１にカーボン汚損（図中に示した符号Ｃの領域）が生じて導電状態となり、主接地電極５１との間で適切に放電が得られなくなった場合は、中心電極４と第１副接地電極５２との間の第１サブギャップ６２において放電を行え、中心電極４と第１副接地電極５２との間において放電火花Ｅによりカーボン汚損部分を焼き切って排除することができる。

また、メインギャップ６１において、放電火花Ｅが得られる場合、放電火花Ｅは、混合気の気流Ｆによって下流側まで流され、図６（Ａ）に示すごとく、中心電極４の突起部４１の角部と主接地電極５１の突起部５１３の角部との間において、下流側に放電火花Ｅが引き伸ばされる。通常、この間に放電火花Ｅによって、混合気に着火する。
そして、本例のスパークプラグ１は、図６（Ｂ）に示すごとく、中心電極４の突起部４１の角部と主接地電極５１の突起部５１３の角部との間において、下流側に放電火花Ｅが引き伸ばされた際、放電火花Ｅの一端は、第２副接地電極５３に移動する。そのため、
中心電極４の突起部４１と第２副接地電極５３との間において、放電火花Ｅを維持できることとなる。そして、この間に放電火花Ｅによって混合気は着火される。

次に、本例の作用効果につき、図４〜図６を用いて説明する。
上記スパークプラグ１は、第１副接地電極５２と第２副接地電極５３とが、プラグ軸方向からみて、主接地電極５１の対向部５１１を挟んで対向して配されている。これによって、図４に示すごとく、主接地電極５１が混合気の気流Ｆの上流側或いは下流側に配されないようにしつつ、第１副接地電極５２を気流Ｆの上流側に配し、第２副接地電極５３を気流Ｆの下流側に配した状態でスパークプラグ１を内燃機関８に取付けることができる。

そして、第１副接地電極５２のハウジング２の先端からの突出長さＨｓ１は、Ｈｓ１＜Ｈｃ＋Ｇｍを満たす。これによって、上記配置状態において、メインギャップ６１に向かう気流Ｆを、上流側に配された第１副接地電極５２によって阻害することを防ぐことができ、メインギャップ６１に気流Ｆを侵入させることができる。その結果、メインギャップ６１において混合気への着火が容易となると共に、火炎を成長させやすくできるため、スパークプラグ１の着火性を向上させることができる。

また、図５（Ｂ）に示すごとく、スパークプラグ１にカーボン汚損が発生した際、つまり、スパークプラグ１の碍子先端部３１にカーボン汚損が生じて導電状態となり、主接地電極５１との間で適切に放電が得られなくなったとき、第１サブギャップ６２において放電させることができる。そして、このときの放電火花Ｅによりカーボンを焼き切って排除することができる。これにより、カーボンの排除部分については、上述の導電状態から絶縁状態に回復でき、碍子先端部３１の絶縁性を維持することができる。そのため、図５（Ａ）に示すごとく、中心電極４と主接地電極５１との間で適切な放電を行うことができ、放電火花Ｅを得ることができる。このように、耐カーボン汚損性を維持することができ、スパークプラグ１の寿命を向上させることができる。

また、スパークプラグ１は、Ｇｍ＜Ｇｓ１＋Ｇｇ、Ｇｍ＜Ｇｓ２＋Ｇｇを満たす。これによって、カーボン汚損が発生する前のスパークプラグ１においては、中心電極４と第１副接地電極５２との間、或いは中心電極４と第２副接地電極５３との間で放電火花Ｅが生じることを防ぐことができ、メインギャップ６１において正常に放電火花Ｅを得ることができる。その結果、メインギャップ６１において混合気へ着火しやすくなり、火炎を成長させやすくできるため、スパークプラグ１の着火性を向上させることができる。

また、スパークプラグ１は、第１副接地電極５２のハウジング２の先端からの突出長さをＨｓ１、第２副接地電極５３のハウジング２の先端からの突出長さをＨｓ２、ハウジング２からの中心電極４の突出長さをＨｃとしたとき、Ｈｓ２≧Ｈｓ１、Ｈｃ＜Ｈｓ２を満たす。これによって、上記配置状態において、メインギャップ６１に生じた放電火花Ｅが気流Ｆによって大きく引き伸ばされたとき、図６（Ｂ）に示すごとく、この放電火花Ｅを第２副接地電極５３によって受け止めることができる。つまり、放電火花Ｅが大きく引き伸ばされて切れてしまうことを防ぎ、中心電極４と第２副接地電極５３との間において、放電火花Ｅを持続することができる。そのため、放電切れと再放電との繰り返しを抑制することができる。その結果、中心電極４や主接地電極５１の消耗を抑制でき、スパークプラグ１の寿命を向上させることができる。また、上記のように放電火花Ｅを持続させることができるため、着火機会を充分に確保でき、スパークプラグ１の着火性を向上させることができる。

また、スパークプラグ１は、Ｇｓ１＜Ｇｍを満たす。これによって、図５（Ｂ）に示すごとく、スパークプラグ１にカーボン汚損が発生した際、第１サブギャップ６２において放電させやすくでき、第１副接地電極５２と中心電極４との間に放電火花Ｅを得やすくすることができる。そのため、耐カーボン汚損性を確保しやすくすることができる。

また、スパークプラグ１は、Ｈｓ１＜Ｈｃを満たす。これによって、図４に示すごとく、メインギャップ６１に向かう気流Ｆを第１副接地電極５２によって阻害することを確実に防ぐことができ、メインギャップ６１に気流Ｆを侵入させやすくすることができる。そのため、メインギャップ６１において放電火花Ｅの混合気への着火による火炎を得ることができ、火炎を成長させやすくすることができる。その結果、スパークプラグ１の着火性を効果的に向上させることができる。

また、スパークプラグ１は、Ｈｓ２＜Ｈｃ＋Ｇｍを満たす。これによって、図４に示すごとく、第１サブギャップ６２側からメインギャップ６１に侵入した気流Ｆを、第２サブギャップ６３側に通過させやすくすることができる。そのため、メインギャップ６１において混合気へ着火させやすくすることができ、火炎を成長させやすくすることができる。その結果、スパークプラグ１の着火性を効果的に向上させることができる。

また、スパークプラグ１は、Ｇｓ１＜Ｇｓ２を満たす。これによって、上記配置状態において、スパークプラグ１にカーボン汚損が発生した際、スパークプラグ１は、上流側の第１副接地電極５２における第１サブギャップ６２において確実に放電を行え、このときの放電火花Ｅによりカーボン汚損部分を焼き切って排除することができる（以下、これをカーボン排除機能という）。一方、スパークプラグ１は、メインギャップ６１に生じた放電火花Ｅを下流側の第２副接地電極５３に確実に移動させることもでき、放電火花Ｅの放電切れに起因する再放電を抑制することができる（以下、これを再放電抑制機能という）。そのため、上流側と下流側で、カーボン排除機能と再放電抑制機能とを分担して実現できる。その結果、スパークプラグ１は、耐カーボン汚損性を確実に維持することができ、主接地電極５１の消耗を確実に抑制でき、スパークプラグ１の寿命を効果的に向上させることができる。また、着火機会も充分に確保でき、スパークプラグ１の着火性を効果的に向上させることができる。

以上のごとく、本例によれば、耐カーボン汚損性を維持しつつ、着火性及び寿命を向上させることができる内燃機関用のスパークプラグ及びその取付構造を提供することができる。

（実験例１）
本例は、図７に示すごとく、スパークプラグの着火性について、Ａ／Ｆ限界値の比較によって調べた例である。

評価対象としては、実施例１で示したスパークプラグ１において、中心電極４の母材（絶縁碍子３内に保持された部分）の最大直径を２．３ｍｍ、中心電極４の電極先端部の直径を０．７ｍｍ、主接地電極５１の対向部５１１におけるプラグ軸方向の断面を１．４ｍｍ×２．６ｍｍの略長方形、第１副接地電極５２及び第２副接地電極５３の対向部５２１、５３１におけるプラグ軸方向の断面を１．２ｍｍ×２．２ｍｍの略長方形とした。また、Ｈｃを４．０ｍｍ、Ｇｍを０．８ｍｍ、Ｇｓ１及びＧｓ２を０．５ｍｍ、Ｇｇを１．０ｍｍに設定した。そして、スパークプラグ１が、Ｇｍ＜Ｇｓ１＋Ｇｇ、Ｇｍ＜Ｇｓ２＋Ｇｇを満たすように設定した。

そして、下記の表１に示すごとく、Ｈｓ１を３．０〜５．５ｍｍ、Ｈｓ２を３．５〜６．０ｍｍの間で種々変更したスパークプラグを「試料１」〜「試料１７」として用意した。
そして、これらの試料を用いて以下の着火試験を行った。

着火試験にあたっては、試料１〜１７のスパークプラグを、直列４気筒１．８Ｌエンジン（以下、着火試験装置という）に装着し、着火試験装置内の混合気のＡ／Ｆ値を変化させた。そして、本例の着火試験では、試料１〜１７のスパークプラグが、薄い混合気、すなわちＡ／Ｆ値が高い混合気でも着火できるかを評価した。この評価方法は、実施例１で示したような第１副接地電極５２及び第２副接地電極５３を有さないスパークプラグ９（図１２参照）を用いた場合のＡ／Ｆ限界値を１．０として、これに対するＡ／Ｆ限界値の比率（以下、これを「Ａ／Ｆ限界値比」という）によって評価するものとした。つまり、試料１〜１７において、Ａ／Ｆ限界値比が１．０を超えた場合には、着火性が向上したと判断し、Ａ／Ｆ限界値比が１．０未満の場合には着火性が低下したと判断した。なお、Ａ／Ｆ限界値は、燃焼変動比を用いて定めたものであり、正常な燃焼といえる程度の燃焼変動比に抑制できる限界のＡ／Ｆ値とした。
また、第１副接地電極を気流の上流側に配し、第２副接地電極を気流の下流側に配した状態でスパークプラグを着火試験装置に取付けた（図２参照）。

この着火試験の結果を図７に示す。同図において、各棒グラフが試料１〜１７の各測定結果のＡ／Ｆ限界値比である。また、棒グラフの下の欄には、各試料の着火性の評価を示した。具体的には、Ａ／Ｆ限界値比が１．０を超えた場合には○を示し、Ａ／Ｆ限界値比が１．０未満の場合には×を示す。

図７から分かるように、試料１〜９については、Ａ／Ｆ限界値比が１．０を超え、着火性に優れている（評価が○）。一方、試料１０〜１７については、Ａ／Ｆ限界値比が１．０未満であり、着火性が低下している（評価が×）。ここで、表１に示すごとく、試料１〜９については、Ｈｓ１＜Ｈｃ＋Ｇｍを満たし、試料１０〜１７については、Ｈｓ１＜Ｈｃ＋Ｇｍを満たしていない。

上記結果から、Ｈｓ１＜Ｈｃ＋Ｇｍを満たすことによって、Ａ／Ｆ限界値を高く維持することができ、スパークプラグの着火性を向上させることができることが分かる。

（実験例２）
本例は、図８に示すごとく、スパークプラグの耐久性を、再放電回数の比較によって調べた例である。
すなわち、本例では、以下に示す耐久試験において、上記実験例１（表１）で示した試料１〜１７のスパークプラグの再放電回数をそれぞれ計測し、再放電回数が上記実験例１で示したスパークプラグ９（図１２参照）の再放電回数に比べて抑制されているか確認を行った。
本例における評価対象（試料１〜１７）の各条件は、それぞれ上記実験例１と同様である。また、試料１〜１７のスパークプラグは、それぞれ３個ずつサンプルとして用意した。

これらの試料を用いて以下の耐久試験を行った。
耐久試験にあたっては、試料１〜１７のスパークプラグを、燃焼室８０を模した試験装置に装着し、装置内を窒素雰囲気とすると共に、圧力を０．６ＭＰａとした。
また、スパークプラグの先端部付近に流速３０ｍ／秒の気流が形成されるように、装置内に混合気を送りこみ、放電周期３０Ｈｚにて、スパークプラグに電圧を印加した。このときの点火エネルギは７０ｍＪとした。
また、第１副接地電極を気流の上流側に配し、第２副接地電極を気流の下流側に配した状態でスパークプラグを試験装置に取付けた（図２参照）。

そして、各試料について、耐久時間１００時間の経過の区切りごとに１０回の火花放電の放電電圧の波形を高周波プローブを用いて計測し、再放電回数を調査した。この計測は、各回の電圧印加における電流波形を観測し、電流値が所定の閾値を超えた回数をカウントすることにより行った。
なお、図８に示す結果は、各試料における３個のサンプルのうちの再放電回数の平均値に基づくものを表したものである。

上記耐久試験の評価方法は、実験例１においても用いたスパークプラグ９（図１２参照）を上記試験装置に装着したときの再放電回数を１．０（以下、これを「再放電回数比」という）として比較評価した。つまり、試料１〜１７において、再放電回数が１．０未満の場合には耐久性が向上したと判断し、再放電回数が１．０を超えた場合には耐久性が低下したと判断した。

この耐久試験の結果を図８に示す。同図において、各棒グラフが試料１〜１７の各測定結果の再放電回数比である。また、棒グラフの下の欄には、各試料の耐久性の評価を示した。具体的には、再放電回数比が１．０未満の場合には○を示し、再放電回数比が１．０の場合には△を示し、再放電回数比が１．０を超えた場合には×を示す。

図８から分かるように、上記実験例１において着火性の向上が認められたＨｓ１＜Ｈｃ＋Ｇｍを満たす試料１〜９のうち、試料３、６、８、９については、再放電回数比が１．０未満であり、耐久性が向上している（評価が○）。一方、試料１、４については、再放電回数比が１．０を超えており、耐久性が低下している（評価が×）。

ここで、表１に示すごとく、耐久性向上効果が見られた試料３、６、８、９については、Ｈｓ２≧Ｈｓ１、Ｈｃ＜Ｈｓ２をも満たす。一方、試料１、２、５については、Ｈｃ＜Ｈｓ２を満たさず、試料４、７については、Ｈｓ２≧Ｈｓ１とＨｃ＜Ｈｓ２とのいずれをも満たしていない。

上記結果から、Ｈｓ２≧Ｈｓ１、Ｈｃ＜Ｈｓ２を満たすことによって、スパークプラグの寿命を向上させることができることが分かる。そして、上記実験例１及び上記実験例２の結果から、Ｇｍ＜Ｇｓ１＋Ｇｇ、Ｇｍ＜Ｇｓ２＋Ｇｇを満たすことを前提にして、Ｈｓ１＜Ｈｃ＋Ｇｍ、Ｈｓ２≧Ｈｓ１、Ｈｃ＜Ｈｓ２のすべてを満たすことによって、スパークプラグの着火性及び寿命を向上させることができることが分かる。

なお、図８から分かるように、試料１０〜１７についても、再放電回数比が１．０未満であり、再放電回数を抑制することができる。しかし、上記実験例１に示すごとく、試料１０〜１７は、着火性の向上は認められない。

（実施例２）
本例は、図９、図１０に示すごとく、主接地電極５１の対向部５１１の突起部５１３の断面形状を、以下において説明する特定形状に形成した例である。

本例における突起部５１３は、図１０に示すごとく、プラグ軸方向に直交する断面形状が、その輪郭５１４のうち最も曲率半径の小さい最小曲率半径部５１５を有すると共に、以下の条件を満たす特定形状である。
その条件は、以下のように定められる。すなわち、図１０に示すごとく、まず、上記断面形状における最小曲率半径部５１５と幾何学的重心Ｐ１とを結ぶ第一直線Ｌ１を想定する。次いで、第一直線Ｌ１が上記断面形状の輪郭５１４と交差する２つの交点Ｐ２間を結ぶ第一線分Ｍを想定する。次いで、第一線分Ｍの中点Ｐ３において第一線分Ｍと直交する第二直線Ｌ２を想定する。次いで、上記断面形状を第二直線Ｌ２によって、最小曲率半径部５１５を含む第１領域Ｂと最小曲率半径部５１５を含まない第２領域Ｃとに分割する。このとき、第２領域Ｃの面積は第１領域Ｂの面積よりも大きいという条件である。

また、本例における突起部５１３は、図１０に示すごとく、第一直線Ｌ１が主接地電極５１の対向部５１１の延設方向（図３に示す破線Ｌ５）に対して直交するように配されている。なお、突起部５１３は、第一直線Ｌ１と同一方向の全長Ｗ１が、対向部５１１の延設方向に直交する方向の幅Ｗ２よりも小さくなるように形成されている。そして、突起部５１３は、上記断面形状が上記特定形状を満たす柱状体であると共に、対向部５１１における中心電極４に対向する面から突出するように配置されている（図９参照）。

また、図１０に示すごとく、突起部５１３は、上記断面形状の輪郭５１４が、第一直線Ｌ１を基準として線対称形状となっている。そして、輪郭５１４は、第二直線Ｌ２方向の幅が、第１領域Ｂの最小曲率半径部５１５（第１領域Ｂ側の交点Ｐ２）から第２領域Ｃへ向かって徐々に拡大し、第２領域Ｃにおいて最大幅部５１６を形成すると共に、該最大幅部５１６を基点として第２領域Ｃ側の交点Ｐ２に向かい窄まった形状となっている。そして、最大幅部５１６は、第２領域Ｃにおける輪郭５１４のうちで最も曲率半径が小さい部分となっている。

また、本例における突起部５１３は、第１領域Ｂが第１副接地電極５２側に配され、第２領域Ｃが第２副接地電極５３側に配されるように、主接地電極５１に固定されている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、突起部５１３のプラグ軸方向に直交する断面形状が、上記特定形状に形成されている。すなわち、図１０に示すごとく、上記断面形状における第２領域Ｃの面積が第１領域Ｂの面積よりも大きくなるように形成されている。そして、第１領域Ｂが第１副接地電極５２側に配され、第２領域Ｃが第２副接地電極５３側に配されるように主接地電極５１に固定されている。これによって、実施例１と同様に、第１副接地電極５２が気流Ｆの上流側に配され、第２副接地電極５３が気流Ｆの下流側に配されるように、スパークプラグ１を内燃機関８の燃焼室８０に取付ければ、第１領域Ｂが気流Ｆの上流側に配され、第２領域Ｃが気流Ｆの下流側に配されることとなる。そのため、突起部５１３の下流側の角部において再放電が繰り返されても、面積が大きい分、再放電による突起部６の消耗を抑制することができる。そのため、突起部５１３の偏消耗を抑制し、耐消耗性をより向上させることができる。その結果、スパークプラグ１の寿命をより効果的に向上させることができる。

また、上記のような配置とすれば、第１領域Ｂにおける最小曲率半径部５１５が上流側に配置される。最小曲率半径部５１５の付近は、最も電界集中させやすく、最小曲率半径部５１５が放電の起点となりやすい。そのため、最小曲率半径部５１５を上流側に配置することにより、突起部５１３の中でもその上流側において初期の放電火花Ｅを得ることができる。そして、放電火花Ｅが混合気によって下流側まで流されて吹き消されるまでの時間を稼ぐことができる。そのため、火炎による着火機会を充分確保することができる。その結果、スパークプラグ１の着火性をより効果的に向上させることができる。

上記構成は、突起部５１３の上記断面形状を、上記特定形状とすることによって実現されている。これによって、突起部５１３自体を特に太径化することなく、消炎作用を抑制することもできる。その結果、スパークプラグ１の着火性の低下を効果的に防ぐことができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

なお、本例では、中心電極４に略円柱形状の突起部４１が配され、主接地電極５１に上記特定形状をなす突起部５１３が配されているが、これに限定されものではない。つまり、突起部４１も本例における突起部５１３と同様の上記特定形状（図１０参照）としてもよい。

（実施例３）
本例は、図１０、図１１に示すごとく、主接地電極５１の対向部５１１の突起部５１３を、図１０に示す特定形状に形成すると共に、メインギャップ６１において、小ギャップ６１１と大ギャップ６１２を形成した例である。

本例における、突起部５１３は、プラグ軸方向に直交する断面形状が、実施例２で示した上記特定形状を満たす略柱状体である（図１０参照）。
また、突起部５１３は、プラグ軸方向に直交する方向の一端側において、プラグ軸方向の最大高さＴ１を有すると共に、他端側においてプラグ軸方向の最小高さＴ２を有する。つまり、突起部５１３は、図１１に示すごとく、メインギャップ６１に対向する対向面５１７がプラグ軸方向に直交する面に対して傾斜している。
中心電極４には、略円柱形状の突起部４１が配されており、プラグ軸方向の高さが一定に形成されている。

そして、同図に示すごとく、メインギャップ６１は、プラグ軸方向に直交する一つの方向において、一端側における小ギャップ６１１から他端側における大ギャップ６１２に向かって徐々に拡大するように構成されている。
また、本例では、メインギャップ６１は、主接地電極５１の対向部５１１の延設方向（図３に示す破線Ｌ５）に対して直交する方向に沿って徐々に拡大するように構成されている。

また、突起部５１３は、小ギャップ６１１が第１副接地電極５２側に配され、大ギャップ６１２が第２副接地電極５３側に配されるように主接地電極５１に固定されている。
その他は、実施例２と同様である。

本例の場合には、突起部５１３が、図１１に示すごとく、メインギャップ６１に対向する対向面５１７がプラグ軸方向に直交する面に対して傾斜している。そして、メインギャップ６１が、プラグ軸方向に直交する一つの方向において、一端側に小ギャップ６１１が形成され、かつ他端側に大ギャップ６１２が形成されるように、一端側から他端側に向かって徐々に拡大して構成されている。そして、小ギャップ６１１が第１副接地電極５２側に配され、大ギャップ６１２が第２副接地電極５３側に配されるように主接地電極５１に固定されている。これによって、実施例１と同様に、第１副接地電極５２が気流Ｆの上流側に配され、第２副接地電極５３が気流Ｆの下流側に配されるように、スパークプラグ１を内燃機関８の燃焼室８０に取付ければ、小ギャップ６１１が気流Ｆの上流側に配され、大ギャップ６１２が気流Ｆの下流側に配されることとなる。そのため、スパークプラグ１の放電電圧の抑制、耐消耗性及び着火性の向上を図ることができる。

このメカニズムにつき、以下において説明する。
上記のような配置とすれば、小ギャップ６１１が上流側に配置される。小ギャップ６１１の付近は、最も電界集中させやすく突起部５１３における一端側が放電の起点となりやすい。その結果、放電電圧を抑制することもできる。そして、小ギャップ６１１を形成する一端側を上流側に配置することにより、突起部５１３の中でもその上流側において初期の放電火花Ｅを得ることができ、放電火花Ｅが混合気によって下流側まで流されて吹き消されるまでの時間を稼ぐことができる。そのため、火炎による着火機会を充分確保することができると共に、これによって、再放電回数を抑制して、突起部５１３の消耗の促進も抑制し易くすることができる。その結果、スパークプラグ１の耐消耗性及び着火性を向上させることができる。

また、上記のような配置とすれば、突起部５１３における気流の下流側には、大ギャップ６１２が配置されることとなる。そのため、上述のごとく、突起部５１３の下流側に放電火花Ｅが流された場合に、中心電極４と主接地電極５１との間の放電火花Ｅの放電距離を長くできる。そのため、放電火花Ｅの放電距離を長く確保し易く、混合気への着火機会を充分に得ることができる。その結果、スパークプラグ１の着火性を向上させることができる。

上記構成は、突起部５１３を、メインギャップ６１に対向する対向面５１７がプラグ軸方向に直交する面に対して傾斜して、メインギャップ６１が、プラグ軸方向に直交する一つの方向において、一端側における小ギャップ６１１から他端側における大ギャップ６１２に向かって徐々に拡大するように構成することによって実現されている。これによって、突起部自体を特に太径化することなく、耐消耗性を向上させることができる。したがって、消炎作用を抑制しつつ、スパークプラグ１の寿命を向上することができる。
その他、実施例２と同様の作用効果を有する。

なお、突起部４１も本例における突起部５１３と同様に、突起部４１におけるメインギャップ６１に対向する対向面をプラグ軸方向に直交する面に対して傾斜させてもよい。

１ スパークプラグ
２ ハウジング
３ 絶縁碍子
３１１ 外周側角部
３１２ 内周側角部
４ 中心電極
５１ 主接地電極
５２ 第１副接地電極
５３ 第２副接地電極
６１ メインギャップ
６２ 第１サブギャップ
６３ 第２サブギャップ

Claims (4)

1. 筒状のハウジングと、碍子先端部が上記ハウジングから突出するように上記ハウジングの内側に保持された筒状の絶縁碍子と、先端部が突出するように上記絶縁碍子の内側に保持された中心電極と、上記ハウジングに接続されると共に上記中心電極にプラグ軸方向から対向する対向部を有して上記中心電極との間にメインギャップを形成する主接地電極と、上記ハウジングに接続されると共に上記碍子先端部における外周側角部との間に第１サブギャップを形成する第１副接地電極と、上記ハウジングに接続されると共に上記碍子先端部における外周側角部との間に第２サブギャップを形成する第２副接地電極とを備えた内燃機関用のスパークプラグであって、
   上記第１副接地電極と上記第２副接地電極とは、上記プラグ軸方向からみて、上記主接地電極の上記対向部を挟んで対向して配されており、
   上記ハウジングからの上記中心電極の突出長さをＨｃ、上記メインギャップの大きさをＧｍ、上記第１副接地電極の上記ハウジングの先端からの突出長さをＨｓ１、上記第２副接地電極の上記ハウジングの先端からの突出長さをＨｓ２、上記第１サブギャップのプラグ径方向長さをＧｓ１、上記第２サブギャップのプラグ径方向長さをＧｓ２、上記碍子先端部の外周側角部と内周側角部との間のプラグ径方向距離をＧｇとしたとき、
   Ｈｓ１＜Ｈｃ＋Ｇｍ、Ｇｍ＜Ｇｓ１＋Ｇｇ、Ｇｍ＜Ｇｓ２＋Ｇｇ、Ｈｓ２≧Ｈｓ１、Ｈｃ＜Ｈｓ２、Ｈｓ１＜Ｈｃを満たすことを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
2. 請求項１に記載の内燃機関用のスパークプラグにおいて、Ｇｓ１＜Ｇｍを満たすことを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
3. 請求項１又は２に記載の内燃機関用のスパークプラグにおいて、Ｈｓ２＜Ｈｃ＋Ｇｍを満たすことを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関用のスパークプラグを内燃機関に取付けてなるスパークプラグの取付構造であって、燃焼室に配された上記第１副接地電極は、上記第２副接地電極よりも上記燃焼室に供給される混合気の気流の上流側となるように配置されていることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグの取付構造。

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