JP6295824B2 - 内燃機関用のスパークプラグ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のエンジン等に用いる内燃機関用のスパークプラグ及びその製造方法に関する。

内燃機関の燃焼室内においては、例えばスワール流やタンブル流といった混合気の気流が形成されており、この気流がスパークプラグの火花放電ギャップにおいても適度に流れることにより、着火性を確保することができる。

ところが、内燃機関へのスパークプラグの取付姿勢によっては、ハウジングの先端部に接合された接地電極の一部が、気流における火花放電ギャップの上流側に配置されることがある。この場合、燃焼室内の気流が接地電極によって遮られ、火花放電ギャップ付近の気流が停滞するおそれがある。すなわち、内燃機関への取付姿勢によって、スパークプラグの着火性がばらつくという問題が生じるおそれがある。かかる問題を解決するために、ハウジングの先端面から先端側へ突出した先端突起部を設けて、気流を火花放電ギャップに導くよう構成したスパークプラグが提案されている（特許文献１）。

特開２０１３−３８０６３号公報

しかしながら、上記スパークプラグにおいては、径方向における先端突起部の寸法をなるべく大きくして、上記の導風効果を高めることが望まれる。しかし、径方向における先端突起部の寸法を大きくすると、ハウジングの先端面の内周端縁よりも先端突起部がはみ出してしまう。そうすると、絶縁碍子とハウジングとの間が狭くなった、先端突起部の根本付近において、絶縁碍子に体積したカーボンを経由し、先端突起部と中心電極との間で火花放電が起こる、いわゆる横飛び火が生じてしまうおそれがある。

特許文献１には、接地電極がハウジングの先端面の内周端縁からはみ出さないように、ハウジングの形状を工夫したスパークプラグが開示されている。このハウジングの形状の工夫を、先端突起部の取り付け部分に採用することも考えられる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、内燃機関に対する取付姿勢に関わらず安定した着火性を確保することができるとともに、横飛び火を抑制できる、製造容易な内燃機関用のスパークプラグ及びその製造方法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、
上記ハウジングの先端面から先端側へ突出した先端突起部とを有し、
該先端突起部の基端部である突起基端部は、上記ハウジングの先端面の内周縁である先端内周縁よりも内側にはみ出した状態で上記ハウジングの先端面に接合されており、
上記突起基端部の上記先端内周縁からのはみ出し量を寸法Ａとしたとき、上記突起基端部の内側角部は、プラグ中心軸を含む平面による断面の外形が、上記先端内周縁と上記先端突起部の内側端縁とを、上記寸法Ａの半径の円弧によってつなぐ仮想曲線の円弧中心側に収まっ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。

本発明の他の態様は、上記内燃機関用のスパークプラグを製造する方法であって、
上記突起基端部を上記ハウジングの先端面に接合するにあたっては、レーザー溶接を行うことを特徴とする内燃機関用のスパークプラグの製造方法にある。

上記内燃機関用のスパークプラグは、上記先端突起部を有する。これにより、内燃機関に対するスパークプラグの取付姿勢に関わらず、火花放電ギャップに気流を導くことができる。特に、突起基端部は、気流を導く面（以下、適宜「導風面」という。）を広く確保するために、ハウジングの先端内周縁よりも内側にはみ出している。つまり、先端突起部は、ハウジングの先端内周縁よりも内側にはみ出して配設されているため、先端突起部によって火花放電ギャップに気流を導く効果（以下、適宜「導風効果」という）を充分に得ることができる。その結果、上記スパークプラグは、安定した着火性を確保することができる。

ところが、上述したように、単に突起基端部をハウジングの先端内周縁よりも内側にはみ出させた状態とすると、横飛び火が懸念される。そこで、上記スパークプラグにおいては、突起基端部の内側角部は、プラグ中心軸を含む平面による断面の外形が、上記仮想曲線の円弧中心側に収まっている。これにより、内側角部への横飛び火を抑制することができ、着火性を確保することができる。

また、上記構成によれば、ハウジングの形状を特に特殊な形状とする必要もないため、製造容易なスパークプラグを得ることができる。

また、上記内燃機関用のスパークプラグの製造方法においては、レーザー溶接によって、突起基端部をハウジングの先端面に溶接するため、突起基端部の内側角部の形状を、上述の形状に容易に形成することができる。

以上のごとく、本発明によれば、内燃機関に対する取付姿勢に関わらず安定した着火性を確保することができるとともに、横飛び火を抑制できる、製造容易な内燃機関用のスパークプラグ及びその製造方法を提供することができる。

実施例１における、スパークプラグの先端部の斜視説明図。 実施例１における、先端側から見たスパークプラグの先端部の部分断面説明図。 実施例１における、溶融部を省略した、先端突起部とハウジングとの接合部付近の、プラグ中心軸を通る平面による断面説明図。 実施例１における、先端突起部とハウジングとの接合部付近の、プラグ中心軸を通る平面による断面図。 実施例１における、先端突起部とハウジングとの接合部付近の、プラグ中心軸を通る平面による断面写真。 比較例における、先端突起部とハウジングとの接合部付近の、プラグ中心軸を通る平面による断面図。 比較例における、先端突起部とハウジングとの接合部付近の、プラグ中心軸を通る平面による断面写真。 実験例における、測定結果を示す線図。

上記内燃機関用のスパークプラグにおいて、燃焼室へ挿入される側を先端側、その反対側を基端側とする。
また、本明細書において、プラグ軸方向とは、スパークプラグの軸方向を意味し、プラグ径方向とは、スパークプラグの径方向を意味し、プラグ周方向とは、スパークプラグの周方向を意味する。また、プラグ周方向の幅とは、プラグ軸方向から見たときのスパークプラグの中心軸を中心とした円の接線方向の幅を意味する。

また、上記先端突起部の外側端縁は、上記ハウジングの先端面の外周縁に配置されていることが好ましい。この場合には、先端突起部のプラグ径方向における幅を大きくすることができる。その結果、先端突起部による導風効果を向上させることができる。

（実施例１）
内燃機関用のスパークプラグ及びその製造方法につき、図１〜図４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、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４１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とを有する。また、スパークプラグ１は、ハウジング２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Ｇを形成する接地電極５を有する。

そして、スパークプラグ１は、ハウジング２の先端面２１から先端側へ突出した先端突起部６を有している。
先端突起部６の基端部である突起基端部６１は、ハウジング２の先端面２１の内周縁である先端内周縁２１１よりも内側にはみ出した状態でハウジング２の先端面２１に接合されている。

そして、図３に示すごとく、突起基端部６１の内側角部６２は、プラグ中心軸を含む平面による断面の外形が、先端内周縁２１１と先端突起部６の内側端縁６３とを、寸法Ａの半径の円弧によってつなぐ仮想曲線Ｌの円弧中心Ｃ側に収まっている。ここで、寸法Ａは、突起基端部６１の先端内周縁２１１からのはみ出し量である。

なお、はみ出し量は、先端内周縁２１１からプラグ中心軸へ向かう、プラグ径方向の長さ寸法である。また、上述のように、仮想曲線Ｌは、先端内周縁２１１と先端突起部６の内側端縁６３とを、寸法Ａの半径の円弧によってつなぐ曲線として定義されるが、内側端縁６３の基端が、円弧中心Ｃよりも先端側にある場合には、上記円弧は、内側端縁６３の延長線とつながることとなる。また、円弧中心Ｃは、プラグ軸方向に先端内周縁２１１と重なる位置にある。

上記寸法Ａは、０．３ｍｍ以上であることが好ましい。すなわち、先端内周縁２１１からの突起基端部６１のはみ出し量は、０．３ｍｍ以上であることが好ましい。本例においては、はみ出し量（寸法Ａ）は、０．３ｍｍである。なお、このはみ出し量（寸法Ａ）は、１．２ｍｍ以下であることが好ましい。
また、突起基端部６１の内側角部６２は、プラグ中心軸を含む平面による断面の外形の曲率半径が上記寸法Ａ以上である。すなわち、内側角部６２の輪郭は、仮想曲線Ｌと同等もしくはそれよりも緩やかな曲線を描く。
また、先端突起部６の外側端縁６５は、ハウジング２の先端面２１の外周縁２１２に配置されている。なお、ハウジング２は、先端面２１の外周側に、外側へ行くほど基端側へ向かうように傾斜したテーパ面２１３を有する。

接地電極５は、図１に示すごとく、ハウジング２の先端部２１から先端側に立設する立設部５１と、立設部５１の先端から屈曲して、中心電極４の先端部４１に対してプラグ軸方向に対向する対向面５３を備えた対向部５２とを有している。この対向部５２と中心電極４の先端部４１との間に火花放電ギャップＧが形成されている。

また、先端突起部６は、四角柱形状を有し、ハウジング２の先端面２１から、プラグ軸方向に平行に、先端側へ向かって立設されている。図２に示すごとく、先端突起部６は、プラグ径方向の幅Ｗ１がプラグ周方向の幅Ｗ２よりも大きい形状を有する。また、先端突起部６の幅Ｗ２は、接地電極５におけるプラグ周方向の幅Ｗ３よりも小さい。また、先端突起部６におけるプラグ周方向の側面のうち、接地電極５の立設部５１側の側面が、気流を火花放電ギャップＧへ導く導風面６４となる。そして、図２に示すごとく、プラグ軸方向から見たとき、先端突起部６の導風面６４の延長線が、中心電極４の略中心を通るよう構成されている。

また、中心電極４の先端部４１は、イリジウム（Ｉｒ）からなる貴金属チップによって構成されている。また、中心電極４の母材及び接地電極５は、ニッケル（Ｎｉ）合金からなる。ハウジング２は、鉄（Ｆｅ）合金からなるとともに表面にニッケルメッキが形成されている。また、先端突起部４は、ニッケルとクロム（Ｃｒ）の合金からなる。

また、図４に示すごとく、突起基端部６１とハウジング２との接合部には、溶接によって形成された溶融部１１が配されている。溶融部１１は、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉの合金からなる。
なお、図４に相当する箇所の実際のスパークプラグ１の断面写真を、図５に示す。また、図３は、溶融部１１を描かずに、ハウジング２の先端面２１の輪郭も表しているが、これは便宜的なものであり、実際には、図４に示すごとく、溶融部１１が形成されている。また、図３に描いた先端面２１は、先端突起部６を設けていない箇所における先端面２１と同じプラグ軸方向の位置に、便宜的に描いたものである。

また、先端突起部６は、レーザー溶接によって、ハウジング２の先端面２１に接合される。すなわち、Ｎｉ−Ｃｒ合金からなる四角柱形状の先端突起部６を、Ｆｅ合金にＮｉメッキが施されたハウジング２の先端面２１に当接させた状態で、ハウジング２の外周側から、レーザー光を照射する。これにより、ハウジング２の一部と先端突起部６の一部が溶融してＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉの合金からなる溶融部１１が形成され、ハウジング２に先端突起部６が接合される。

そして、溶融部１１は、形成される際に熱収縮を起こすことで、突起基端部６１の内側角部６２が、上記仮想曲線Ｌよりも円弧中心Ｃ側に収まるような形状に形成される。また、溶融部１１は、先端突起部６とハウジング２との接合部の全体にわたって形成されている。

また、ハウジング２の先端面２１への先端突起部６の接合は、ハウジング２に中心電極４を組み付ける前に行っても、組み付けた後に実施すれば、中心電極４との寸法関係や位置関係のバラツキを調整し吸収することができるため、更に好適である。
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、本例の作用効果につき説明する。
上記内燃機関用のスパークプラグ１は、先端突起部６を有する。これにより、内燃機関に対する取付姿勢に関わらず、火花放電ギャップＧに気流を導くことができる。特に、突起基端部６１は、ハウジング２の先端内周縁２１１よりも内側にはみ出している。つまり、先端突起部６は、ハウジング２の先端内周縁２１１よりも内側にはみ出して配設されているため、先端突起部６による導風効果を充分に得ることができる。その結果、スパークプラグ１は、安定した着火性を確保することができる。

また、突起基端部６１の内側角部６２は、プラグ中心軸を含む平面による断面の外形が、仮想曲線Ｌの円弧中心側に収まっている。これにより、内側角部６２と絶縁碍子３との距離を拡大できるとともに、内側角部６２における電界集中を緩和し、内側角部６２への横飛び火を抑制することができ、着火性を確保することができる。

また、上記構成によれば、レーザー溶接時の熱収縮（熱引け）を利用して内側角部６２を上述の形状に形成することで、横飛び火を抑制できるので、ハウジング２の形状を特に特殊な形状とする必要もなく、製造容易なスパークプラグ１を得ることができる。

また、先端突起部６の外側端縁６５は、ハウジング２の先端面２１の外周縁２１２に配置されている。それゆえ、先端突起部６の幅Ｗ１を大きくすることができ、先端突起部６による導風効果を向上させることができる。すなわち、先端突起部６の外側端縁６５が、ハウジング２の先端面２１の外周縁２１２よりも内側に配置されていると、その分、先端突起部６の幅Ｗ１が小さくなる。つまり、導風面６４が狭くなる。それゆえ、先端突起部６の導風効果が小さくなる。一方、先端突起部６の外側端縁６５がハウジング２の先端面２１の外周縁２１２の外側まではみ出していると、スパークプラグ１を内燃機関に取り付ける際に先端突起部６が邪魔になるおそれがある。また、先端突起部６とハウジング２との接合強度が低下する要因となるおそれも考えられる。そこで、先端突起部６の外側端縁６５が、ハウジング２の先端面２１の外周縁２１２に配置されるように、先端突起部６が取り付けられていることにより、取り付け性、耐久性を確保しつつ、導風効果を最大限に得ることができる。

また、突起基端部６１とハウジング２との接合部における溶融部１１は、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉの合金からなる。これにより、溶融部１１における耐酸化性を確保することができる。
また、突起基端部６１の内側角部６２は、プラグ中心軸を含む平面による断面の外形の曲率半径が寸法Ａ以上である。これにより、横飛び火を、より効果的に抑制することができる。

以上のごとく、本例によれば、内燃機関に対する取付姿勢に関わらず安定した着火性を確保することができるとともに、横飛び火を抑制できる、製造容易な内燃機関用のスパークプラグ及びその製造方法を提供することができる。

（比較例１）
本例は、図６、図７に示すごとく、突起基端部６１の内側角部６２０が、仮想曲線Ｌよりも円弧中心Ｃから離れた位置まで突出した状態のスパークプラグの例である。
内側角部６２０の断面形状の曲率半径は、はみ出し量（寸法Ａ）に対して極めて小さい状態にある。

本例のような内側角部６２０の形状は、例えば、レーザー溶接の出力が比較的低い場合や、先端突起部６を抵抗溶接によってハウジング２に接合する場合等に、形成される。図７に示す断面写真は、実際に、比較的低い出力でレーザー溶接を行ったときに得られた先端突起部６の接合部付近の状態を示す。

その他の構成は、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。
かかる構成のスパークプラグにおいては、内側角部６２周辺の電界強度が高くなり、横飛び火が生じやすくなる。

（実験例）
本例は、図８に示すごとく、内側角部６２の曲率半径Ｒと横飛び火の発生率との関係につき評価した例である。
まず、内側角部６２の曲率半径Ｒを、種々変更した複数のスパークプラグを作製した。ここで、曲率半径Ｒは、先端突起部６をハウジング２にレーザー溶接する際のレーザー出力を、５００Ｗ〜１２００Ｗの間で変化させ、熱収縮（熱引け）の生じ方を変えることにより、調整した。

各試料は、実施例１に開示したスパークプラグを基本構成としている。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。

そして、ハウジング２の直径は１０．１ｍｍ、ハウジング２の先端部２１のプラグ径方向の幅は１．４ｍｍである。また、先端突起部６のプラグ径方向の幅Ｗ１は１．７ｍｍであり、プラグ周方向の幅Ｗ２は１．２ｍｍである。また、接地電極５のプラグ周方向の幅Ｗ３は２．６ｍｍである。また、中心電極４の先端部４１は、絶縁碍子３の先端から軸方向に４ｍｍ突出している。火花放電ギャップＧは０．９ｍｍである。また、プラグ軸方向から見たときの、接地電極５の立設部５１の中心とプラグ中心軸とを結ぶ直線と、先端突起部６の導風面６４とプラグ中心軸とを結ぶ直線とのなす角度は、３０°である。
そして、ハウジング２の先端面２１の先端内周縁２１１からの、先端突起部６のはみ出し量（寸法Ａ）を０．３ｍｍとした。更に各サンプルの絶縁碍子３の先端部分にカーボンを付着させてくすぶり状態とした。

これらの試料を、それぞれ、内燃機関を模したチャンバー内に設置した。このとき、接地電極５の立設部５１が気流の上流側となるように設置した。そして、チャンバー内の気圧を０．５ＭＰａ（相対圧）とした状態で、１００回の火花放電を生じさせた。そして、その間の横飛び火の発生回数を測定して、横飛び火の発生率（横飛び発生率）を求めた。その結果を、図８に示す。

同図からわかるように、曲率半径Ｒが大きくなるほど、横飛び発生率は低減され、曲率半径Ｒが０．３ｍｍ以上となると、横飛び発生率は２０％を下回り、ほぼ一定となった。
このように、本例によれば、曲率半径Ｒを０．３ｍｍ以上とすることにより、充分に横飛び火を抑制することができることがわかる。また、この０．３ｍｍは、上記寸法Ａであり、先端内周縁２１１からの先端突起部６のはみ出し量である。したがって、上記の結果は、先端突起部６の内側角部６２の曲率半径Ｒを上記はみ出し量以上とすることにより、横飛び火を充分に抑制することができることがわかる。また、本例において用いた試料において、曲率半径Ｒがはみ出し量（０．３ｍｍ）以上のものは、いずれも、図４のように、内側角部６２の外形が仮想曲線Ｌの円弧中心Ｃ側に収まっている状態のものである。

なお、上記実施例以外にも、本発明の態様としては、種々の態様を採り得る。例えば、実施例１においては、先端突起部６を１本設けた例を示したが、先端突起部６を複数本設けた態様とすることもできる。

１ スパークプラグ
２ ハウジング
２１ 先端面
２１１ 先端内周縁
３ 絶縁碍子
４ 中心電極
４１ （中心電極の）先端部
５ 接地電極
６ 先端突起部
６１ 突起基端部
６２ 内側角部
６３ 内側端縁
Ｃ 円弧中心
Ｌ 仮想曲線

Claims (8)

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）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（Ｇ）を形成する接地電極と、
   上記ハウジング（２）の先端面（２１）から先端側へ突出した先端突起部（６）とを有し、
   該先端突起部（６）の基端部である突起基端部（６１）は、上記ハウジング（２）の先端面（２１）の内周縁である先端内周縁（２１１）よりも内側にはみ出した状態で上記ハウジング（２）の先端面（２１）に接合されており、
   上記突起基端部（６１）の上記先端内周縁（２１１）からのはみ出し量を寸法Ａとしたとき、上記突起基端部（６１）の内側角部（６２）は、プラグ中心軸を含む平面による断面の外形が、上記先端内周縁（２１１）と上記先端突起部（６）の内側端縁（６３）とを、上記寸法Ａの半径の円弧によってつなぐ仮想曲線（Ｌ）の円弧中心（Ｃ）側に収まっ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. 上記先端突起部（６）の外側端縁（６５）は、上記ハウジング（２）の先端面（２１）の外周縁（２１２）に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）。
3. 上記突起基端部（６１）と上記ハウジング（２）との接合部には、溶接によって形成された溶融部（１１）が配されており、該溶融部（１１）は、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉの合金からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用のスパークプラグ（１）。
4. 上記寸法Ａは、０．３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項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（１）。
5. 上記突起基端部（６１）の上記内側角部（６２）は、プラグ中心軸を含む平面による断面の外形の曲率半径（Ｒ）が上記寸法Ａ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関用のスパークプラグ（１）。
6. 上記突起基端部（６１）は、レーザー溶接によって上記ハウジング（２）の先端面（２１）に溶接されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関用のスパークプラグ（１）。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関用のスパークプラグ（１）を製造する方法であって、
   上記突起基端部（６１）を上記ハウジング（２）の先端面（２１）に接合するにあたっては、レーザー溶接を行うことを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ（１）の製造方法。
8. 上記ハウジング（２）の先端面（２１）への上記先端突起部（６）の接合は、上記ハウジング（２）に中心電極（４）を組み付けた後に行うことを特徴とする請求項７に記載の内燃機関用のスパークプラグ（１）の製造方法。