JP6311499B2 - 内燃機関用のスパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、中心電極と接地電極との間に火花放電間隙が形成された、内燃機関用のスパークプラグに関する。

エンジン等の内燃機関においては、点火コイルによって発生させたスパーク用電圧を放電して、混合気に着火するためのスパークプラグが多用されている。スパークプラグは、筒状のハウジングの内周側に筒状の絶縁碍子が挿通され、絶縁碍子の内周側に中心電極が挿通されて形成されている。スパークプラグは、ハウジングの先端部に設けられた接地電極と中心電極との間に形成された火花放電間隙に、放電による火花を発生させるよう構成されている。

例えば、特許文献１においては、中心電極、中心電極を保持する絶縁碍子、絶縁碍子を保持する主体金具、及び絶縁碍子と主体金具との間に介在する環状のパッキンを備えるスパークプラグについて開示されている。パッキンは、絶縁碍子の碍子先端向き面と、主体金具の金具後端向き面との間に配置されている。そして、主体金具の金具縮径部とパッキンとの位置関係を規定し、コロナ放電による清浄効果を利用して、スパークプラグの耐汚損性を向上させることが開示されている。

特開２００９−１７６５２５号公報

近年、エンジンにおいては、低燃費化、高効率化等を目標としており、エンジン内の混合気が燃えにくい環境にあり、エンジン内の燃焼温度も低下している。燃焼温度が低下すると、特に低温始動時等の燃焼時にカーボンが発生しやすくなり、このカーボンが絶縁碍子に付着しやすくなる。特許文献１のスパークプラグにおいては、主体金具の金具縮径部とパッキンとの位置関係を規定しているのみであり、主体金具の構造に工夫をしていない。また、特許文献１においては、絶縁碍子がカーボンの付着によって汚損されたときの漏洩（リーク）電流の発生を抑え、コロナ放電を発生させることによって、カーボンの清浄効果を得ることを目的としている。
しかしながら、コロナ放電の際に流れるコロナ電流の大きさは、漏洩電流の大きさに比べて小さい。そのため、特許文献１のスパークプラグにおいては、絶縁碍子に付着したカーボンを焼失させる十分な効果を得ることができない。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、中心電極の先端部の外周面における凸部と、凸部に対向する絶縁碍子の先端面との間に漏洩電流を発生させて、絶縁碍子の先端面に付着したカーボンを効果的に焼失させることができるスパークプラグを提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、接地電極が設けられた筒状のハウジングと、該ハウジングの内周側に挿通された筒状の絶縁碍子と、該絶縁碍子の内周側に挿通された中心電極とを備え、該中心電極の先端と上記接地電極の先端とが対向する先端側位置において火花放電間隙が形成されたスパークプラグにおいて、
上記中心電極における、上記絶縁碍子の内周面と対向する先端部の外周面には、上記絶縁碍子の内周面との隙間が変化する凹凸が、周方向の複数箇所において繰り返し形成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は、中心電極における、絶縁碍子の内周面と対向する先端部の外周面における周方向の複数箇所に、凹凸が繰り返し形成されている。そして、この凹凸の形成により、漏洩電流を意図的に発生させて、絶縁碍子に付着したカーボンを焼失させるようにしている。
中心電極における先端部の外周面に凹凸が形成されていることにより、中心電極における先端部の外周面と絶縁碍子の内周面との隙間は、周方向の複数箇所において繰り返し変化している。そして、内燃機関の燃焼が行われると、絶縁碍子の外周面及び先端面にカーボンが付着していく。このとき、凹凸における凸部と絶縁碍子の先端面に付着したカーボンの表面との隙間が所定の隙間以下になると、凸部における電界集中により絶縁破壊が発生し、この隙間において漏洩電流が流れる。この漏洩電流は、コロナ電流に比べて、数十〜数百倍の大きさになる。

これにより、凸部の先端が放電の起点となり、中心電極の先端部の周方向におけるいずれかの凸部において、選択的に漏洩電流が流れる。そして、凸部に対向する、絶縁碍子の先端面におけるカーボンを、漏洩電流によって効果的に焼失させることができる。
それ故、上記スパークプラグによれば、中心電極の先端部の外周面における凸部と、凸部に対向する絶縁碍子の先端面との間に漏洩電流を発生させて、絶縁碍子の先端面に付着したカーボンを効果的に焼失させることができる。

実施例にかかる、スパークプラグの先端側部分を示す断面図。 実施例にかかる、中心軸線方向から見た状態のスパークプラグを示す図で、図１のI−I線矢視断面図。 実施例にかかる、中心電極の先端部の周辺を拡大して示す断面図。 実施例にかかる、中心軸線方向から見た状態の中心電極の先端部の周辺を拡大して示す断面図。 実施例にかかる、中心軸線方向から見た状態の他の中心電極の先端部の周辺を拡大して示す断面図。 実施例にかかる、中心軸線方向から見た状態の他の中心電極の先端部の周辺を拡大して示す断面図。 実施例にかかる、中心軸線方向から見た状態の他の中心電極の先端部の周辺を拡大して示す断面図。 実施例にかかる、隣り合う凸部同士の間の周方向の角度間隔と、絶縁抵抗値が１０ＭΩ未満になるときのサイクル数との関係を示すグラフ。 実施例にかかる、隣り合う凸部同士の間の周方向の角度間隔と、電界強度との関係を示すグラフ。 実施例にかかる、中心電極の先端部における凹凸の中心軸線方向の長さと、絶縁抵抗値が１０ＭΩ未満になるときのサイクル数との関係を示すグラフ。

以下に、内燃機関用のスパークプラグにかかる実施例について、図面を参照して説明する。
（実施例）
本例のスパークプラグ１は、図１、図２に示すように、接地電極２１が設けられた筒状のハウジング２と、ハウジング２の内周側に挿通された筒状の絶縁碍子３と、絶縁碍子３の内周側に挿通された中心電極４とを備えている。また、中心電極４の先端と接地電極２１の先端とが対向する先端側位置においては、火花放電間隙Ｓが形成されている。図３、図４に示すように、中心電極４における、絶縁碍子３の内周面３０３と対向する先端部４１の外周面４０１には、絶縁碍子３の内周面３０３との隙間Ｕが変化する凹凸４２が、周方向Ｃの複数箇所において繰り返し形成されている。

以下に、本例のスパークプラグ１について、図１〜図１０を参照して詳説する。
スパークプラグ１は、内燃機関としてのエンジンにおいて、スパーク用の高電圧を発生させる点火コイルに接続して用いられる。スパークプラグ１の中心電極４の後端部は、点火コイルの高電圧ターミナルに接続され、スパークプラグ１のハウジング２は、エンジンのシリンダヘッドに接続される。
ハウジング２の先端側部分の外周には、シリンダヘッドのプラグホールの端部に設けられたねじ穴に螺合するおねじ部２４が形成されている。接地電極２１は、ハウジング２の先端部から突出して、中心電極４の先端に先端側から対向するよう屈曲して形成されている。

図１に示すように、ハウジング２は、その内周面２０１における中心軸線方向Ｏの一部が縮径して形成された棚部２２を有している。絶縁碍子３は、先端側位置に近い位置に形成された先端側碍子部３１と、先端側碍子部３１の後端側に位置して、先端側碍子部３１よりも拡径して形成された後端側碍子部３２と、後端側碍子部３２と先端側碍子部３１との間に形成された段差面３３とを有している。棚部２２の後端側端面２２１と段差面３３との間には、環状のパッキン５が挟持されている。
絶縁碍子３の先端側碍子部３１の外周面３０１は、先端側に向かうに連れて縮径するテーパ状に形成されている。ハウジング２の先端側部分の内周面２０１は、中心軸線方向Ｏに平行に形成されている。ハウジング２の先端側部分の内周面２０１と、絶縁碍子３の先端側碍子部３１の外周面３０１との隙間は、後端側に向かうに連れて狭くなるよう変化している。中心電極４の先端部４１の最先端部は、絶縁碍子３の先端側碍子部３１の先端から突出している。

図３に示すように、中心電極４の先端部４１における凹凸４２は、中心軸線方向Ｏに沿って設けられている。本例の凹凸４２の径方向の深さは、中心軸線方向Ｏの全長に亘って一定である。また、絶縁碍子３の内周面３０３と対向する位置において、凹凸４２が中心軸線方向Ｏに形成された長さＬは、０．２５〜２ｍｍの範囲内にある。なお、本例の中心電極４の先端部４１は絶縁碍子３の先端面３０２から若干突出しており、長さＬは、絶縁碍子３の先端面３０２から凹凸４２の基端までの長さとなる。

図４に示すように、中心電極４の先端部４１における凹凸４２の凸部４２１は、中心軸線方向Ｏから見た形状が、三角形状を有している。そして、凸部４２１における、三角形状を形成する一対の側面４２４は、直線状に形成されている。また、図５に示すごとく、凸部４２１における一対の側面４２４は、曲線状に形成されていてもよい。これらの場合、中心電極４の先端部４１における凹凸４２の凸部４２１と、絶縁碍子３の先端側碍子部３１の内周面３０３との間の隙間Ｕは、三角形状の各凸部４２１の内周側頂点において最も小さくなる。

図６に示すように、中心電極４の先端部４１における凹凸４２の凸部４２１は、中心軸線方向Ｏから見た形状が、四角形状を有していてもよい。この場合、凸部４２１における、四角形状を形成する一対の側面４２５は、直線状に形成されていてもよく、曲線状に形成されていてもよい。この場合、中心電極４の先端部４１における凹凸４２の凸部４２１と、絶縁碍子３の先端側碍子部３１の内周面３０３との間の隙間Ｕは、四角形状の凸部４２１の周方向Ｃの両側の角部４２３又は内周側側面４２６において最も小さくなる。

図４に示すように、中心電極４の先端部４１における凹凸４２の凸部４２１は、周方向Ｃに等間隔に、１０〜６０°の角度間隔θで繰り返し形成されている。この角度間隔θは、中心電極４の先端部４１の周方向Ｃにおける凸部４２１の形成数によって決定される。三角形状の凸部４２１は、凸部４２１の突出高さ（凹部４２２の深さ）及び凸部４２１の形成数に応じて、鈍角状又は鋭角状に形成することができる。
また、中心電極４の先端部４１における凹凸４２は、図４に示すごとく、凸部４２１と凹部４２２とが周方向Ｃに連続して隣接する形状に形成することができ、図７に示すように、凸部４２１が円周形状の外周面４０１から部分的に突出する形状に形成することもできる。

本例においては、ＪＩＳＤ１６０６のくすぶり汚損試験において、試験条件に従う１サイクル終了ごとの、ハウジング２と絶縁碍子３との間の絶縁抵抗値を測定し、絶縁抵抗値が１０ＭΩ未満になるときのサイクル数Ｎを測定した。具体的には、４気筒、１．８Ｌのエンジンを用い、中心電極４の先端部４１における凹凸４２が三角形状の凸部４２１によって形成されたハウジング２について測定を行った。また、中心電極４の先端部４１における凹凸４２における凸部４２１の、角度間隔θ、中心軸線方向Ｏの長さＬの各寸法を変化させて、サイクル数Ｎを測定した。図８〜図１０は、測定を行った結果を示す。

図８は、横軸に、隣り合う凸部４２１同士の間の周方向Ｃの角度間隔θをとり、縦軸に、絶縁抵抗値が１０ＭΩ未満になるときのサイクル数Ｎをとって、両者の関係を示す。同図に示すように、角度間隔θが６０°を超えると、サイクル数Ｎは１０回にまで低下し、６０°以下においては、サイクル数Ｎが多いことが分かった。また、角度間隔θが４５°以下になると、サイクル数Ｎがより多くなることが分かった。また、角度間隔θが小さくなり過ぎると、図９に示すように、隣り合う凸部４２１同士の間に電界干渉が発生し、電界強度が低下すると考えられる。
以上の結果より、中心電極４の先端部４１における凹凸４２の凸部４２１は、周方向Ｃに等間隔に、１０〜６０°の角度間隔θで繰り返し形成することが好ましく、１０〜４５°の角度間隔θで繰り返し形成することがさらに好ましいことが分かった。

図１０は、横軸に、中心電極４の先端部４１における凹凸４２の、絶縁碍子３の内周面３０３と対向する位置における中心軸線方向Ｏの長さＬをとり、縦軸に、絶縁抵抗値が１０ＭΩ未満になるときのサイクル数Ｎをとって、両者の関係を示す。同図に示すように、凹凸４２の中心軸線方向Ｏの長さＬが０．２５ｍｍ未満になると、サイクル数Ｎは１０回にまで低下し、０．２５ｍｍ以上においては、サイクル数Ｎが多いことが分かった。また、凹凸４２の中心軸線方向Ｏの長さＬが１ｍｍ以上になると、サイクル数Ｎがより多くなることが分かった。また、凹凸４２の中心軸線方向Ｏの長さＬが２ｍｍ超過になると、絶縁碍子３の内周面３０３と中心電極４の外周面４０１との間の接触面積が小さくなって、絶縁碍子３から中心電極４への熱引き（放熱）が弱まってしまう。そのため、凹凸４２の中心軸線方向Ｏの長さＬは２ｍｍ以下とすることが好ましい。
以上の結果より、中心電極４の先端部４１における凹凸４２の中心軸線方向Ｏの長さＬは、０．２５〜２ｍｍとすることが好ましく、１〜２ｍｍとすることがさらに好ましいことが分かった。

次に、本例のスパークプラグ１の作用効果について説明する。
本例のスパークプラグ１においては、中心電極４における、絶縁碍子３の内周面３０３と対向する先端部４１の外周面４０１における周方向Ｃの複数箇所に、凹凸４２が繰り返し形成されている。そして、この凹凸４２の形成により、漏洩電流を意図的に発生させて、絶縁碍子３に付着したカーボンＸを焼失させるようにしている。
中心電極４における先端部４１の外周面４０１に凹凸４２が形成されていることにより、中心電極４における先端部４１の外周面４０１と絶縁碍子３の内周面３０３との隙間Ｕは、周方向Ｃの複数箇所において繰り返し変化している。そして、内燃機関の燃焼が行われると、絶縁碍子３の外周面３０１及び先端面３０２にカーボンＸが付着していく（図３参照）。このとき、凹凸４２における凸部４２１の先端と絶縁碍子３の先端面３０２に付着したカーボンＸとの隙間が所定の隙間以下になると、凸部４２１における電界集中により絶縁破壊が発生し、この隙間において漏洩電流が流れる。この漏洩電流は、コロナ電流に比べて、数十〜数百倍の大きさになる。

これにより、凸部４２１の先端が放電の起点となり、中心電極４の先端部４１の周方向Ｃにおけるいずれかの凸部４２１において、選択的に漏洩電流が流れる。そして、凸部４２１に対向する、絶縁碍子３の先端面３０２におけるカーボンＸを、漏洩電流によって効果的に焼失させることができる。
図４に示したように、中心電極４の先端部４１における凸部４２１が三角形状を有している場合には、凸部４２１の内周側頂点において漏洩電流が発生し、この凸部４２１の内周側頂点に対向する部分を起点として、カーボンＸ（図１参照）を焼失させることができる。
また、図６に示したように、中心電極４の先端部４１における凸部４２１が四角形状を有している場合には、凸部４２１の周方向Ｃの両側の角部４２３において漏洩電流が発生し、この凸部４２１の周方向Ｃの両側の角部４２３に対向する部分を起点として、カーボンＸを焼失させることができる。
それ故、本例のスパークプラグ１によれば、中心電極４の先端部４１の外周面４０１における凸部４２１と、凸部４２１に対向する絶縁碍子３の先端面３０２との間に漏洩電流を発生させて、絶縁碍子３の先端面３０２に付着したカーボンＸを効果的に焼失させることができる。

１ スパークプラグ
２ ハウジング
２１ 接地電極
３ 絶縁碍子
３０２ 先端面
３０３ 内周面
４ 中心電極
４１ 先端部
４２ 凹凸

Claims (4)

1. 接地電極（２１）が設けられた筒状のハウジング（２）と、該ハウジング（２）の内周側に挿通された筒状の絶縁碍子（３）と、該絶縁碍子（３）の内周側に挿通された中心電極（４）とを備え、該中心電極（４）の先端と上記接地電極（２１）の先端とが対向する先端側位置において火花放電間隙（Ｓ）が形成されたスパークプラグ（１）において、
   上記中心電極（４）における、上記絶縁碍子（３）の内周面（３０３）と対向する先端部（４１）の外周面（４０１）には、上記絶縁碍子（３）の内周面（３０３）との隙間が変化する凹凸（４２）が、周方向（Ｃ）の複数箇所において繰り返し形成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. 上記凹凸（４２）における凸部（４２１）は、上記中心電極（４）の中心軸線方向（Ｏ）から見た形状が、三角形状又は四角形状を有し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. 上記凹凸（４２）における凸部（４２１）は、上記周方向（Ｃ）に等間隔に、１０〜６０°の角度間隔（θ）で繰り返し形成されてい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. 上記絶縁碍子（３）の内周面（３０３）と対向する位置において、上記凹凸（４２）が上記中心軸線方向（Ｏ）に形成された長さ（Ｌ）は、０．２５〜２ｍｍの範囲内に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）。

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