JP6171794B2 - 内燃機関用のスパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、自動車、コージェネレーション等の内燃機関に用いられる内燃機関用のスパークプラグに関する。

内燃機関用のスパークプラグにおいては、中心電極と接地電極との間に高電圧を印加することにより、電極間の火花放電ギャップに火花放電を生じさせるよう構成されている。
ところが、火花放電の放電開始時における容量放電の電流に起因して電磁ノイズが発生することがあり、周辺機器への影響が懸念される。容量放電の際には、中心電極とその外周に配されたハウジングとの間の容量に溜まった電荷が、火花放電ギャップの放電開始時に、急激に火花放電ギャップに流れ込み、その際、瞬間的に大電流が流れる。この大電流に起因して電磁ノイズが発生する。そこで、この容量放電の電流を抑制すべく、中心電極を抵抗体によって構成したスパークプラグが提案されている（特許文献１）。

特許第４２８５３６６号公報

しかしながら、中心電極が抵抗体によって構成されていると、中心電極の熱引けが悪くなりやすい。その結果、プレイグニッションが生じやすくなったり、中心電極の耐消耗性が低下したりするなどの問題が懸念される。
さらに、抵抗体を中心電極の放電面を含む部分に設けた場合には、要求電圧が上昇すると共に、耐消耗性の低下にもつながる。また、放電火花が火花放電ギャップ以外の部分に飛び火しやすくなるおそれもある。その結果、着火性が低下するおそれがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、中心電極の熱引け性の低下を招くことなく、着火性を確保しつつ、電磁ノイズの低減を図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、
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、
上記ハウジングの先端部に接続されると共に上記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、を有し、
上記中心電極は、上記ハウジングよりも先端側であって上記火花放電ギャップに対向する放電面を含まない部分の少なくとも一部に、抵抗部を設けてなり、
該抵抗部の全体が、上記ハウジングの先端部及び上記絶縁碍子の先端部のいずれよりも先端側に配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にある。

上記スパークプラグにおいて、中心電極は、ハウジングよりも先端側に抵抗部を設けてなる。これにより、容量放電の際に流れる電流の大きさを抑制することができる。つまり、容量放電の際に中心電極および接地電極に流れ込む大電流は、中心電極とその周囲のハウジングとの間の容量に溜まっていた電荷が放出されることにより生じる。それゆえ、抵抗部を、ハウジングよりも先端側、すなわち、ハウジングと中心電極との間の容量部分と接地電極の基端部との間の電流経路中に配置することで、確実に、容量放電の電流を抑制することができる。その結果、容量放電に伴う電磁ノイズを低減することができる。

そして、抵抗部の配設位置をハウジングよりも先端側としているため、中心電極が抵抗部を有する場合にも、中心電極の先端部の熱引けを抵抗部が阻害することを抑制することができる。それゆえ、プレイグニッションの発生や耐消耗性の低下を抑制することができる。

また、抵抗部は、火花放電ギャップに対向する放電面を含まない部分に設けてあるため、火花放電ギャップにおける要求電圧が上昇することを防ぐことができる。また、放電面を抵抗部によって構成しないため、放電面の消耗が進みやすくなることもなく、耐消耗性を確保することができるし、火花放電ギャップ以外に放電火花が飛び火することも抑制することができる。それゆえ、スパークプラグの着火性を確保することができる。

以上のごとく、本発明によれば、中心電極の熱引け性の低下を招くことなく、着火性を確保しつつ、電磁ノイズの低減を図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、内燃機関用のスパークプラグの一部断面図。 実施例１における、スパークプラグの先端部付近の正面図。 実施例１における、クラッド材の（ａ）正面図、（ｂ）先端側から見た平面図。 実施例１における、他のクラッド材の断面説明図。 実験例における、抵抗部の抵抗値と容量放電電流比との関係を表す線図。 実験例における、気圧の変化を伴う試験結果を表す線図。 参考例１における、スパークプラグの先端部付近の正面図。 参考例２における、スパークプラグの先端部付近の正面図。 他の実施例における、内燃機関用のスパークプラグの一部断面図。

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。

（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。
本例の内燃機関用のスパークプラグ１は、図１に示すごとく、筒状のハウジング２と、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の先端部２１に接続されると共に中心電極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、を有する。

中心電極４と接地電極５との少なくとも一方は、ハウジング２よりも先端側であって火花放電ギャップ１１に対向する放電面４１、５１を含まない部分の少なくとも一部に、抵抗部６を設けてなる。本例においては、図２に示すごとく、抵抗部６は、中心電極４の一部に設けてある。

中心電極４と接地電極５とは、放電面４１、５１を形成する貴金属チップ４２、５２をそれぞれ備えている。抵抗部６は、図２、図３に示すごとく、貴金属チップ４２と接合された抵抗体６０によって構成されている。貴金属チップ４２と抵抗体６０とは、拡散接合等によって互いに接合されたクラッド材４３を構成している。そして、中心電極４は、絶縁碍子３の内側に保持される中心電極母材４０の先端に、上記クラッド材４３を接合してある。ここで、クラッド材４３は、抵抗体６０側が中心電極母材４０側となり、貴金属チップ４２側が火花放電ギャップ１１側となるように、中心電極母材４０の先端に接合されている。中心電極母材４０とクラッド材４３との接合は、溶接によって行うことができる。

また、本例において、クラッド材４３における抵抗体６０と貴金属チップ４２とは、いずれも円柱形状とすることができる。抵抗体６０は、貴金属チップ４２よりも直径が大きい。そして、抵抗体６０と貴金属チップ４２とは、互いの中心軸を一致させるようにして、接合されている。

ただし、クラッド材４３の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、図４に示すごとく、抵抗体６０に設けた凹部６１に、貴金属チップ４２の一部を嵌入させた状態としてもよい。あるいは、図示を省略するが、抵抗体６０の直径と貴金属チップ４２の直径とを一致させてもよい。

また、図２に示すごとく、中心電極母材４０は、その先端がハウジング２の先端部２１よりも先端側に配されている。これにより、抵抗部６は、ハウジング２の先端部２１よりも先端側に配されることとなる。
図１に示すごとく、中心電極母材４０は、その基端部に鍔部４４を備えている。一方、絶縁碍子３は、内周側に支承部３１を備えている。支承部３１に中心電極母材４０の鍔部４４が、軸方向から当接することで、中心電極母材４０は、絶縁碍子３の内側において、軸方向に係止されている。

中心電極母材４０は、例えば、Ｎｉ基合金からなり、貴金属チップ４２は、例えば、イリジウム合金からなる。そして、抵抗体６０（抵抗部６）は、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等によって構成することができる。そして、この抵抗部６の抵抗値としては、例えば１００Ω〜２０ｋΩとすることができる。

接地電極５は、例えばＮｉ基合金からなる接地電極母材５０を備え、該接地電極母材５０は、ハウジング２の先端部２１に一端が溶接等によって接合されており、他端部が中心電極４とプラグ軸方向に対向する位置に配されるように屈曲している。そして、接地電極母材５０における中心電極４と対向する面に、軸方向に突出するように、貴金属チップ５２が接合されている。この貴金属チップ５２における中心電極４との対向面が、放電面５１であり、接地電極５の貴金属チップ５２と中心電極４の貴金属チップ４２との間に、火花放電ギャップ１１が形成されている。

接地電極５の貴金属チップ５２は、例えば、白金（Ｐｔ）合金によって構成することができる。なお、接地電極５に貴金属チップ５２を設けない構成とすることもできる。
ハウジング２は、例えばニッケル合金からなり、絶縁碍子３は、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等のセラミックからなる。

次に、本例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、中心電極４は、ハウジング２よりも先端側に抵抗部６を設けてなる。これにより、容量放電の際に流れる電流の大きさを抑制することができる。つまり、容量放電の際に中心電極４および接地電極５に流れ込む大電流は、中心電極４とその周囲のハウジング２との間の容量に溜まっていた電荷が放出されることにより生じる。それゆえ、抵抗部６を、ハウジング２よりも先端側、すなわち、ハウジング２と中心電極４との間の容量部分と接地電極５の基端部との間の電流経路中に配置することで、確実に、容量放電の電流を抑制することができる。その結果、容量放電に伴う電磁ノイズを低減することができる。

そして、抵抗部６の配設位置をハウジング２よりも先端側としているため、中心電極４が抵抗部６を有していても、中心電極４の先端部の熱引けを抵抗部６が阻害することを抑制することができる。それゆえ、プレイグニッションの発生や耐消耗性の低下を抑制することができる。

また、抵抗部６は、火花放電ギャップ１１に対向する放電面４１を含まない部分に設けてあるため、火花放電ギャップ１１における要求電圧が上昇することを防ぐことができる。また、放電面４１を抵抗部６によって構成しないため、放電面４１の消耗が進みやすくなることもなく、耐消耗性を確保することができるし、火花放電ギャップ１１以外に放電火花が飛び火することも抑制することができる。それゆえ、スパークプラグ１の着火性を確保することができる。

また、中心電極４は、放電面４１を形成する貴金属チップ４２を備え、抵抗部６は、貴金属チップ４２と接合された抵抗体６０によって構成されている。それゆえ、中心電極４における抵抗部６の形成を容易に行うことができる。

以上のごとく、本例によれば、中心電極の熱引け性の低下を招くことなく、着火性を確保しつつ、電磁ノイズの低減を図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。

（実験例）
本例においては、図５に示すごとく、実施例１の内燃機関用のスパークプラグ１を基本構成としつつ抵抗部６の抵抗値を変更したとき、容量放電の電流がどのように変化するかを確認した。また、比較のために、抵抗部６を設けないスパークプラグも用意して容量放電の電流を測定した。

具体的には、以下のような試験を行った。
各スパークプラグを、それぞれ火花測定ベンチに設置した。火花測定ベンチ内の雰囲気としては窒素ガス雰囲気とし、この状態において、スパークプラグにおける電極間に、点火コイルにて電圧を印加して、その際に生じる容量放電の電流を測定した。容量放電電流の測定は、接地電極に流れる電流の最大値を測定することにより行った。その結果を、図５に示す。

同図において、横軸が抵抗部の抵抗値であり、縦軸が容量放電電流比である。容量放電電流比は、抵抗部を設けないスパークプラグについての容量放電の電流値に対する各スパークプラグについての容量放電の電流値の比である。なお、この試験は、火花測定ベンチ内の気圧を０．１ＭＰａとして行った。各スパークプラグにつき、１００回の火花放電波形を測定し、その１００回の測定値の平均値を、図５にプロットした。

図５から分かるように、抵抗部を設けることにより、容量放電の電流値は、大きく低下する。そして、抵抗部の抵抗値を１００Ω以上とすることで、容量放電の電流値は、抵抗部を設けない場合に対して、１／３以上低減することができる。さらに、抵抗値を上げることにより、容量放電の電流値を、抵抗部を設けない場合に対して半分以下とすることも可能である。

なお、火花測定ベンチ内の気圧を０．１ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．６ＭＰａ、０．８ＭＰａと変化させて、抵抗部６を設けないスパークプラグと、抵抗部６の抵抗値を１．５ｋΩとしたスパークプラグとについて、それぞれ容量放電電流比を測定した。ここでの容量放電電流比は、抵抗部を設けないスパークプラグについての０．１ＭＰａにおける容量放電の電流値に対する各水準における容量放電の電流値の比である。測定条件及びデータ採取方法等については、図５に示すデータと同様である。この測定結果を図６に示す。同図において、直線Ｌ０にて結ばれたプロットが、抵抗部を設けないスパークプラグについての測定結果を表し、直線Ｌ１にて結ばれたプロットが、１．５ｋΩの抵抗部を設けたスパークプラグについての測定結果を表す。また、各プロットに添えたＭＰａの数値が、その測定の際の気圧である。

図６から分かるように、何れのスパークプラグについても、火花測定ベンチ内の気圧が高くなるほど、放電電圧と共に、容量放電電流比が高くなるが、同じ気圧で比較すると、抵抗部を設けないものの容量放電電流比に対して、１．５ｋΩの抵抗部を設けたものの容量放電電流比は、半分以下に低減されており、前者の容量放電電流比に対する後者の容量放電電流比の割合は、略一定である。このことから、火花測定ベンチ内の気圧に関わらず、抵抗部を設けることによる容量放電電流の低減効果は充分に得られることが分かる。

本例の結果から、抵抗部を設けた実施例１の内燃機関用のスパークプラグは、容量放電の電流を抑制できることが分かる。また、抵抗部の抵抗値は、１００Ω以上とすることが好ましいと言える。

一方、抵抗部を設けても、放電電圧の上昇は殆ど生じない。これは、抵抗部の抵抗値が、火花放電ギャップにおける抵抗値に比べて充分に小さいためであり、抵抗部を設けても、そしてその抵抗値を１００Ω程度〜数ｋΩとしても、要求電圧への影響はほとんどない。

（参考例１）
本例は、図７に示すごとく、接地電極５の一部に抵抗部６を設けた例である。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。

抵抗部６は、貴金属チップ５２と抵抗体６０とを接合してなるクラッド材５３における抵抗体６０によって構成されている。そして、スパークプラグ１は、接地電極母材５０における中心電極４と軸方向に対向する面に、クラッド材５３を溶接等によって接合してなる。
一方、中心電極４には、抵抗部６を設けていない。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合にも、スパークプラグ１の着火性を確保しつつ、電磁ノイズの低減を図ることができる。また、中心電極４に抵抗部６を設ける必要がないため、中心電極４の熱引け性をより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。

（参考例２）
本例は、図８に示すごとく、接地電極５の基端部に抵抗部６を設けた例である。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、参考例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、参考例１と同様の構成要素等を表す。

抵抗部６は、ハウジング２の先端部２１と接地電極母材５０の基端部との間に配置されている。抵抗部６と接地電極母材５０との間、及び抵抗部６とハウジング２との間は、例えば溶接、拡散接合等によって、接合することができる。
その他は、参考例１と同様である。本例の場合にも、参考例１と同様の作用効果を得ることができる。

なお、放電部の形成位置は、上記実施例に示したものに限られない。すなわち、中心電極の全体が、ハウジングの先端部及び絶縁碍子の先端部よりも先端側であって放電面を含まない部分の少なくとも一部に、抵抗部を有していればよい。
また、上述の実施例１と参考例２又は３を適宜組み合わせることもできる。つまり、例えば、実施例１と参考例１とを組み合わせるなどして、中心電極と接地電極との双方に抵抗部を設けることもできる。
また、図９に示すごとく、中心電極母材４０の基端部よりも基端側に、他の抵抗体（レジスタ１２）が配置されていてもよい。

１ スパークプラグ
１１ 火花放電ギャップ
２ ハウジング
２１ （ハウジングの）先端部
３ 絶縁碍子
４ 中心電極
４１ 放電面
５ 接地電極
５１ 放電面
６ 抵抗部

Claims (2)

1. 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、
   先端部が突出するように上記絶縁碍子（３）の内側に保持された中心電極（４）と、
   上記ハウジング（２）の先端部（２１）に接続されると共に上記中心電極（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、を有し、
   上記中心電極（４）は、上記ハウジング（２）よりも先端側であって上記火花放電ギャップ（１１）に対向する放電面（４１、５１）を含まない部分の少なくとも一部に、抵抗部（６）を設けてなり、
   該抵抗部（６）の全体が、上記ハウジング（２）の先端部（２１）及び上記絶縁碍子（３）の先端部のいずれよりも先端側に配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（１）。
2. 上記中心電極（４）は、上記放電面（４１、５１）を形成する貴金属チップ（４２、５２）を備え、上記抵抗部（６）は、上記貴金属チップ（４２、５２）と接合された抵抗体（６０）によって構成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）。

Images