JP6015678B2

JP6015678B2 - 内燃機関用のスパークプラグ

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Publication number: JP6015678B2
Application number: JP2014002059A
Authority: JP
Inventors: 宏二山中
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2034-01-09
Also published as: JP2015130302A; US20150194793A1; US9397482B2

Description

本発明は、火花放電ギャップの周囲に副燃焼室を有する内燃機関用のスパークプラグに関する。

車両用エンジン、コージェネレーション等の内燃機関における着火手段であるスパークプラグとして、火花放電ギャップの周囲に副燃焼室を有するスパークプラグがある（特許文献１）。
かかるスパークプラグにおいては、内燃機関の燃焼室内の混合気をスパークプラグの副燃焼室に導入すると共に、火花放電ギャップにおいて火花放電を行うことにより混合気に着火し、副燃焼室において火炎を発生させる。そして、副燃焼室から副燃焼室外の燃焼室に火炎ジェットを噴出させ、燃焼室全体に火炎を広げる。これにより、燃焼速度の大きい内燃機関を得ることができる。

特開２０１１−２１４４９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のスパークプラグは、接地電極がハウジングに設けられている。それゆえ、火花放電ギャップと副燃焼室の先端側部分との間に、接地電極が介在することとなる。その結果、火花放電ギャップにおいて生じた火炎核の成長が接地電極に阻害されて、副燃焼室において広がり難いという問題が生じ得る。したがって、特許文献１に記載のスパークプラグは、燃焼性の観点において改良の余地がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、燃焼性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、
該ハウジングの内側に保持された筒状の絶縁碍子と、
上記絶縁碍子の内側に保持された中心電極と、
該中心電極との間に火花放電ギャップを形成する接地電極と、
上記ハウジングの先端部に固定されると共に上記火花放電ギャップが配置される副燃焼室を上記ハウジングとの間に形成するプラグカバーとを有し、
該プラグカバーは、該プラグカバーの外部と上記副燃焼室とをつなぐ貫通孔を有し、
上記接地電極は、上記プラグカバーの内面から上記副燃焼室側へ突出して形成されており、
上記プラグカバーは、中央部において基端側へ隆起した中央隆起部を有し、
上記接地電極は、上記中央隆起部から基端側へ突出していることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグにある。

上記スパークプラグにおいては、接地電極がプラグカバーの内面から副燃焼室側へ突出して形成されている。それゆえ、副燃焼室において、火花放電ギャップとの間に接地電極が介在することとなる領域を小さくする、或いは無くすことができる。それゆえ、火花放電ギャップにおいて生じた火炎が、接地電極に阻害されることなく、副燃焼室において成長することができる。その結果、副燃焼室における燃焼が良好に行われ、貫通孔から内燃機関の燃焼室への火炎ジェットの噴射も良好に行われることとなる。これにより、内燃機関の燃焼性を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、燃焼性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、スパークプラグの一部断面正面図。実施例１における、スパークプラグの先端部の断面図。実施例１における、先端空間領域を示す断面説明図。実施例１における、基端側から見たプラグカバーの平面図。実施例２における、スパークプラグの先端部の断面図。実施例３における、スパークプラグの先端部の断面図。実施例４における、スパークプラグの先端部の断面図。実施例５における、スパークプラグの先端部の断面図。実験例における、試験結果を表す線図。

上記内燃機関用のスパークプラグは、例えば、自動車、コージェネレーション等の内燃機関に用いることができる。
また、本明細書において、スパークプラグの軸方向において、内燃機関の燃焼室に挿入される側を先端側、その反対側を基端側として説明する。

また、上記プラグカバーに形成された上記貫通孔のうち最も先端側に形成された先端側貫通孔の中心線は、プラグ中心軸に向かうほど基端側へ向かうように傾斜しており、上記先端側貫通孔の中心線をプラグ中心軸の周りに１回転させることにより得られる円錐面と該円錐面よりも先端側における上記プラグカバーの内面とによって囲まれる先端空間領域内に、上記接地電極における上記中心電極に対向する電極対向面が配置されていることが好ましい。この場合には、貫通孔から副燃焼室に導入された混合気に、効果的に着火することができる。これにより、内燃機関の燃焼性をより向上させることができる。

（実施例１）
上記内燃機関用のスパークプラグの実施例につき、図１〜図４を用いて説明する。
図１に示すごとく、スパークプラグ１は、筒状のハウジング２と、ハウジング２の内側に保持された筒状の絶縁碍子３と、絶縁碍子３の内側に保持された中心電極４と、中心電極４との間に火花放電ギャップ１１を形成する接地電極５と、ハウジング２の先端部に固定されたプラグカバー６とを有する。

図２に示すごとく、プラグカバー６は、火花放電ギャップ１１が配置される副燃焼室１２をハウジング２との間に形成している。また、プラグカバー６は、プラグカバー６の外部と副燃焼室１２とをつなぐ貫通孔６１を有する。
そして、接地電極５は、プラグカバー６の内面６２から副燃焼室１２側へ突出して形成されている。

プラグカバー６は、略半球状のドーム形状を有し、その開放端６３を基端側に向けた状態で、ハウジング２の先端部に固定されている。プラグカバー６の開放端６３は、全周にわたってハウジング２の先端部に、溶接等によって接合されている。ただし、ハウジング２とプラグカバー６との固定方法は、特に限定されるものではない。

また、プラグカバー６は、内面６２のうち、プラグ中心軸Ｍとの交点となる位置に、接地電極５を設けてなる。接地電極５は、例えばプラグカバー６に対して、溶接等によって接合されている。そして、接地電極５は、プラグカバー６の内面６２から基端側へ向かって、突出している。
一方、中心電極４は、プラグ中心軸Ｍ上にプラグ中心軸Ｍに沿って配置されており、その先端部に貴金属チップからなる放電部４１を設けてなる。

中心電極４を先端側から覆うように、上述のごとくプラグカバー６をハウジング２の先端部に固定することにより、接地電極５と中心電極４の放電部４１とが、プラグ中心軸Ｍ上において軸方向に対向する。そして、接地電極５の電極対向面５１と中心電極４の放電部４１との間に、火花放電ギャップ１１が形成される。

また、図２、図４に示すごとく、プラグカバー６は、貫通孔６１を複数個形成してなる。貫通孔６１は、プラグ中心軸Ｍから径方向にずれた位置に形成されている。
図３に示すごとく、プラグカバー６に形成された貫通孔６１のうち最も先端側に形成された先端側貫通孔の中心線Ｎは、プラグ中心軸Ｍに向かうほど基端側へ向かうように傾斜している。なお、本例においては、図４に示すごとく、貫通孔６１は４個形成されており、４個の貫通孔６１は、軸方向における互いに同等の位置に形成されている。つまり、本例においては、貫通孔６１のすべてが上記先端側貫通孔であり、それらの中心線Ｎのすべてが、プラグ中心軸Ｍに向かうほど基端側へ向かうように傾斜している。

図３に示すごとく、先端側貫通孔（貫通孔６１）の中心線Ｎをプラグ中心軸Ｍの周りに１回転させることにより得られる円錐面と該円錐面よりも先端側におけるプラグカバー６の内面６２とによって囲まれる先端空間領域１３内に、接地電極５における中心電極４に対向する電極対向面５１が配置されている。
本例においては、プラグ中心軸Ｍ上に接地電極５が配置されているため、接地電極５の電極対向面５１は、副燃焼室１２内における、中心線Ｎとプラグ中心軸Ｍとの交点Ａの位置かそれよりも先端側に存在することとなる。

また、本例においては、中心電極４は、ハウジング２の先端よりも先端側へ突出しており、また、絶縁碍子３の先端よりも先端側へ突出している。また、絶縁碍子３の先端部は、ハウジング２の先端よりも先端側へ突出している。
また、プラグカバー６は、導電性材料からなり、例えばニッケル基合金等の金属からなる。これにより、プラグカバー６に設けられた接地電極５は、プラグカバー６を通じてハウジング２と導通し、接地される。また、プラグカバー６に設けられた４個の貫通孔６１は、周方向に等間隔に設けてある。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記スパークプラグ１においては、接地電極５がプラグカバー６の内面６２から副燃焼室１２側へ突出して形成されている。それゆえ、副燃焼室１２において、火花放電ギャップ１１との間に接地電極５が介在することとなる領域を小さくする、或いは無くすことができる。それゆえ、火花放電ギャップ１１において生じた火炎が、接地電極５に阻害されることなく、副燃焼室１２において成長することができる。その結果、副燃焼室１２における燃焼が良好に行われ、貫通孔６１から内燃機関の燃焼室への火炎ジェットの噴射も良好に行われることとなる。これにより、内燃機関の燃焼性を向上させることができる。

また、図３に示すごとく、接地電極５の電極対向面５１が先端空間領域１３内に配置されているため、貫通孔６１から副燃焼室１２に導入された混合気に、効果的に着火することができる。すなわち、貫通孔６１を通じて副燃焼室１２に導入される混合気は、中心線Ｎを中心とした放射状に副燃焼室１２内に広がる。このとき、副燃焼室１２の先端側は、プラグカバー６によって覆われているため、中心線Ｎよりも先端側の領域に、比較的早期に混合気が溜まりやすい。つまり、副燃焼室１２の中でも特に先端空間領域１３に比較的早期に混合気が溜まりやすい。したがって、この先端空間領域１３に接地電極５の電極先端面５１を配置することで、早期に着火することができる。しかも、先端空間領域１３に電極対向部５１を設けることで、着火した火炎が副燃焼室１２において成長したとき、早期に貫通孔６１からプラグカバー６の外の内燃機関の燃焼室に、火炎ジェットが噴射される。その結果、内燃機関の燃焼速度を向上させることができる。

以上のごとく、本例によれば、燃焼性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を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図５に示すごとく、プラグカバー６の内面６２からの接地電極５の突出量を大きくした例である。
すなわち、接地電極５の電極対向面５１の位置を、ハウジング２に近付けている。また、その分、中心電極４の放電部４１を基端側へ後退させている。

本例において、接地電極５は、プラグカバー６の内面６２から基端側へ向かって基端側へ立設した立設部５２と、該立設部５２の基端面に接合された放電部５３とからなる。この放電部５３が貴金属チップからなり、その基端面が電極対向面５１となっている。立設部５２は、例えばニッケル基合金等の金属部材によって構成することができる。

その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の場合には、立設部５３の長さを調整することにより、接地電極５の電極対向面５１の位置を、最適な位置に調整することができる。その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図６に示すごとく、プラグカバー６が、その中央部を基端側へ隆起させた中央隆起部６４を有する例である。
中央隆起部６４に接地電極５が接合されており、接地電極５は中央隆起部６４から基端側へ突出している。
その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の場合には、プラグカバー６の中央隆起部６４を変形させることにより、接地電極５の軸方向の位置を容易に調整することができる。例えば、プラグカバー６を取り付けた後に、中央隆起部６４の隆起量を調整することで、接地電極５の電極対向面５１の位置を調整し、中心電極４の放電部４１との間の火花放電ギャップ１１の大きさを調整することもできる。その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、図７に示すごとく、接地電極５を複数個設けたスパークプラグ１の例である。
すなわち、プラグカバー６の内面６２に、複数の接地電極５を突出形成している。本例において、複数の接地電極５のうちの一つは、実施例１と同様に、プラグ中心軸Ｍ上に設けられ、その周囲に他の接地電極５が配されている。

また、中心電極４の放電部４１は、実施例１に開示されたものよりも大きい直径を有する。そして、複数の接地電極５は、いずれも中心電極４の放電部４１に対して、電極対向面５１を対向させている。
その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の場合には、火花放電ギャップ１１が複数箇所に形成されるため、着火性を向上させることができる。その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例５）
本例は、図８に示すごとく、火花放電ギャップ１１の位置を、ハウジング２の先端よりも基端側に配置した例である。
すなわち、ハウジング２の内側に、火花放電ギャップ１１が形成されている。中心電極４の放電部４１は、ハウジング２の先端よりも基端側へ後退している。また、接地電極５は、プラグカバー６の内面６２から軸方向の基端側へ延びて、ハウジング２の先端よりも基端側まで突出している。この構成を実現するために、本例においては、実施例２と同様に、接地電極５が立設部５２と放電部５３とによって構成されている。

本例において、接地電極５の電極対向面５１は、実施例１において示した先端空間領域１３（図３参照）内には配置されていない。
その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

（実験例）
本例は、図９に示すごとく、接地電極５の電極対向面５１の軸方向位置と、スパークプラグのＡ／Ｆ限界との関係を調べた実験例である。
ここで、Ａ／Ｆ限界とは、正常な燃焼が行われるための限界の空燃比（Ａ／Ｆ）をいい、Ａ／Ｆ限界が大きいほど、燃焼性能に優れていると言える。なお、本例において、正常な燃焼とは、燃焼変動率が５％以下であることを意味する。

試験に際しては、まず、プラグカバー６に設けた貫通孔６１の直径Ｄと、貫通孔６１の中心線Ｎとプラグ中心軸Ｍとのなす角度θ（図３参照）とを、それぞれ表１に示すように設定した５種類のスパークプラグを用意した。これら５種類のスパークプラグのそれぞれにつき、さらに、接地電極５の電極対向面５１の軸方向位置を互いに異ならせた複数の試料を用意した。これらのスパークプラグの基本構成としては、実施例１（図１〜図４）に示した構成を有する。そのうえで、実施例１（図１）、実施例２（図５）、実施例５（図８）のように、適宜、立設部５２の有無やその長さを調整して、電極対向面５１の軸方向位置を互いに異ならせた。

また、ハウジング２の直径は９．０ｍｍ、プラグカバー６の内面６２の半径は４．０ｍｍ、プラグカバー６の厚みは１．０ｍｍとした。貫通孔６１は、中心線Ｎ方向から見た形状が円形である。

また、中心電極４の放電部４１は円柱形状を有し、その直径は０．５５ｍｍである。また、接地電極５（放電部５３）も円柱形状を有し、その直径は０．７ｍｍである。中心電極４の放電部４１は９０ｗｔ％Ｉｒ−１０ｗｔ％Ｒｈからなり、接地電極５（放電部５３）は９０ｗｔ％Ｐｔ−１０ｗｔ％Ｒｈからなる。

これらのスパークプラグ１をそれぞれ、１８００ｃｃのガソリンエンジン（内燃機関）を模した試験チャンバーに設置し、回転数１５００回転／分、回転トルク３５Ｎ・ｍの条件にて運転した。このときの燃焼状態をそれぞれ確認した。これにより、各スパークプラグ１のＡ／Ｆ限界を測定した。その結果を、図９に示す。

図９の横軸である電極対向面の位置は、図３に示す交点Ａ（中心線Ｎとプラグ中心軸Ｍとの交点）からの軸方向距離によって表されており、交点Ａよりも先端側をプラス（＋）、基端側をマイナス（−）としている。また、図９において、Ｌ１〜Ｌ５の折れ線にて示すデータが、それぞれ表１のＬ１〜Ｌ５にて示す貫通孔６１の直径Ｄ及び向き（角度θ）を有するスパークプラグについてのデータである。

図９から分かるように、貫通孔６１の直径Ｄ及び向き（角度θ）に関わらず（Ｌ１〜Ｌ５のいずれについても）、接地電極５の電極対向面５１の位置が０ｍｍ以上となると、Ａ／Ｆ限界が飛躍的に向上することが分かる。すなわち、電極対向面５１が交点Ａよりも先端側にあるとき、スパークプラグ１は特に優れた燃焼性能を示すと言える。
このことからも、電極対向面５１が先端空間領域１３（図３参照）内に配置されていることにより、優れた燃焼性能を得ることができることが分かる。

なお、上記実施例においては、接地電極５をプラグ中心軸Ｍ上に配置した例を示したが、本発明はこれに限らず、接地電極をプラグ中心軸からずれた位置に設けてもよい。また、上記実施例においては、複数の貫通孔６１を軸方向における互いに同等の位置に設けた例を示したが、軸方向における互いに異なる位置に貫通孔を設けてもよい。この場合、最も先端側に設けた貫通孔が上記先端貫通孔となる。

１スパークプラグ
１１火花放電ギャップ
１２副燃焼室
２ハウジング
３絶縁碍子
４中心電極
５接地電極
６プラグカバー
６１貫通孔
６２内面

Claims

筒状のハウジング（２）と、
該ハウジング（２）の内側に保持された筒状の絶縁碍子（３）と、
上記絶縁碍子（３）の内側に保持された中心電極（４）と、
該中心電極（４）との間に火花放電ギャップ（１１）を形成する接地電極（５）と、
上記ハウジング（２）の先端部に固定されると共に上記火花放電ギャップ（１１）が配置される副燃焼室（１２）を上記ハウジング（２）との間に形成するプラグカバー（６）とを有し、
該プラグカバー（６）は、該プラグカバー（６）の外部と上記副燃焼室（１２）とをつなぐ貫通孔（６１）を有し、
上記接地電極（５）は、上記プラグカバー（６）の内面から上記副燃焼室（１２）側へ突出して形成されており、
上記プラグカバー（６）は、中央部において基端側へ隆起した中央隆起部（６４）を有し、
上記接地電極（５）は、上記中央隆起部（６４）から基端側へ突出していることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ（１）。
上記プラグカバー（６）に形成された上記貫通孔（６１）のうち最も先端側に形成された先端側貫通孔（６１）の中心線（Ｎ）は、プラグ中心軸（Ｍ）に向かうほど基端側へ向かうように傾斜しており、上記先端側貫通孔（６１）の中心線（Ｎ）をプラグ中心軸（Ｍ）の周りに１回転させることにより得られる円錐面と該円錐面よりも先端側における上記プラグカバー（６）の内面とによって囲まれる先端空間領域（１３）内に、上記接地電極（５）における上記中心電極（４）に対向する電極対向面（５１）が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用のスパークプラグ（１）。