JP6350193B2

JP6350193B2 - 内燃機関用のスパークプラグ

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Publication number: JP6350193B2
Application number: JP2014206656A
Authority: JP
Inventors: 将貴出口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2034-10-07
Also published as: DE102015115204B4; US20160099551A1; JP2016076404A; DE102015115204A1; US9647428B2

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に関する。

内燃機関用のスパークプラグは、筒状のハウジングと、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絶縁碍子の内側に保持された中心電極と、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、を有する。

かかるスパークプラグにおいては、上記火花放電ギャップに生じる火花放電に伴い、中心電極から電波雑音が発生し、周辺機器に影響を及ぼすおそれがある。この電波雑音を防止する性能（雑防性）を向上させるため、中心電極の基端側にレジスタが配置されたものが知られている（特許文献１）。

特許第４９０１９９０号公報

しかしながら、上記内燃機関用のスパークプラグには、以下の課題がある。
近年、内燃機関の燃費向上等を目的として、過給を採用したり、圧縮比を高めたりすることが検討されている。これに伴い、燃焼室内の温度が向上する傾向にある。この場合、燃焼室内に曝されているスパークプラグの先端部は高温になりやすく、先端部の熱は、中心電極からその基端側に配されたレジスタに伝わりやすい。それゆえ、レジスタも高温になりやすくなってしまう。そうなると、レジスタを構成する材量が酸化しやすくなり、レジスタの抵抗値が上昇してしまうおそれがある。その結果、放電火花が発生しにくくなり、内燃機関における失火につながるおそれがある。

ここで、レジスタが高温になりやすくなることを防ぐために、レジスタを中心電極の先端から基端側に遠ざけることが考えられる。しかし、雑防性の観点からは、レジスタを中心電極の先端から遠ざけることは好ましくない。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、雑防性を確保しつつ、レジスタの温度上昇を抑制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、
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、
上記中心電極の基端側において上記絶縁碍子の内側に保持されたレジスタと、
該レジスタの基端側において上記絶縁碍子の内側に保持されたステムと、を有し、
上記絶縁碍子の外周面のうち、上記レジスタの基端部よりも先端側であって、上記ハウジングの内周面に対向する部分の少なくとも一部には、熱放射率が０．７以上である高放射率面が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。

上記内燃機関用のスパークプラグにおいて、絶縁碍子の外周面の所定の部位に、熱放射率が０．７以上である高放射率面が形成されている。それゆえ、中心電極の熱を、絶縁碍子を通じてハウジングへ放熱しやすくなる。すなわち、中心電極の熱は、その基端側に配されたレジスタへ伝わる一方で、中心電極の外周側の絶縁碍子を介してハウジングに伝達されることにより放熱される。

ここで、絶縁碍子の外周面とハウジングの内周面との間には、一般にクリアランスが形成されているため、絶縁碍子からハウジングへの放熱は主に空気を介した熱放射によることとなる。そこで、絶縁碍子の外表面に高放射率面を形成することにより、中心電極から絶縁碍子に伝わった熱を、絶縁碍子の外周面から効率的に放出しやすくなる。その結果、中心電極の熱を、絶縁碍子を介して、ハウジングへ放熱しやすくなる。これにより、レジスタの温度上昇を抑制しやすくなる。また、これに伴い、レジスタを中心電極の先端から基端側へ大きく遠ざける必要もなくなり、雑防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、雑防性を確保しつつ、レジスタの温度上昇を抑制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、スパークプラグのプラグ中心軸を含む断面による断面図。実施例１における、スパークプラグ先端部の拡大断面図。図２の、III−III線矢視断面図。実施例１における、高放射率面が形成された絶縁碍子の先端部の斜視図。実施例１における、高放射率面が形成された絶縁碍子とハウジングとの間の拡大断面図。実験例における、各試料のレジスタの先端面の温度の測定結果を示すグラフ。実施例２における、スパークプラグのプラグ中心軸を含む断面による断面図。実施例２における、スパークプラグの先端部付近の断面斜視図。実施例２における、先端側から見たスパークプラグの平面図。実施例３における、スパークプラグのプラグ中心軸を含む断面による断面図。

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、プラグ軸方向における、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５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、筒状の絶縁碍子３と、中心電極４と、接地電極５と、レジスタ６と、ステム１１とを有する。絶縁碍子３は、ハウジング２の内側に保持されている。中心電極４は、先端部が突出するように絶縁碍子３の内側に保持されている。接地電極５は、中心電極４との間に火花放電ギャップＧを形成する。レジスタ６は、中心電極４の基端側において、絶縁碍子３の内側に保持されている。ステム１１は、レジスタ６の基端側において絶縁碍子３の内側に保持されている。

図１、図２に示すごとく、絶縁碍子３の外周面のうち、レジスタ６の基端部よりも先端側であって、ハウジング２の内周面に対向する部分の少なくとも一部には、熱放射率が０．７以上である高放射率面７が形成されている。

ハウジング２は、スパークプラグ１を内燃機関に取り付けるための取付ネジ部２１を有する。ハウジング２は、例えばＦｅ基合金かならなる。
また、絶縁碍子３は、ハウジング２の内周側に設けられた係止段部２３に対してプラグ軸方向Ｘに係止される被係止段部３４を有する。絶縁碍子３の被係止段部３４とハウジング２の係止段部２３との間には、環状のパッキン１３が介在している。そして、絶縁碍子３の被係止段部３４が、ハウジング２の係止段部２３にパッキン１３を介してプラグ軸方向Ｘに当接した状態で、絶縁碍子３がハウジング２に保持されている。

絶縁碍子３は、例えばアルミナを略円筒形状に形成してなる。絶縁碍子３は、プラグ軸方向Ｘにおいて外径が互いに異なる大外径部３１と小外径部３２と脚部３３とを有する。大外径部３１は、絶縁碍子３の他の部分よりも大きい外径を有する。小外径部３２は、大外径部３１の先端側に位置しており、大外径部３１よりも小さい外径を有する。脚部３３は、小外径部３２の先端側に位置しており、小径部よりも小さい外径を有する。また、脚部３３は、先端側に向うにつれて外径が小さくなっている。小外径部３２と脚部３３との間に、先端に向うにつれて外径が小さくなる被係止段部３４が形成されている。

図１、図２に示すごとく、絶縁碍子３の小外径部３２の外周面と、ハウジング２の内周面の少なくとも一部とは、対向している。図３、図５に示すごとく、ハウジング２の内周面と絶縁碍子３の小外径部３２の外周面との間には、若干のクリアランス１０（空気層）が形成されており、ハウジング２の内周面と小外径部３２の外周面とは密着していない。

このクリアランス１０に対向する絶縁碍子３の外周面に、高放射率面７が形成されている。本例においては、図２〜図４に示すごとく、高放射率面７は、絶縁碍子３の小外径部３２の外周面の全領域に形成されている。高放射率面７は、０．７以上の熱放射率を有する高放射率材料を、絶縁碍子３の外周面に塗布等することにより形成される。かかる高放射率材料としては、例えば、オキツモ株式会社製の酸化物セラミック塗料、タスコジャパン株式会社製の黒体調合塗料等がある。なお、上記高放射率材料として、タスコジャパン株式会社製の黒体テープ等を、絶縁碍子３の外周面に貼付することもできる。

ここで、物体の熱放射率とは、ある温度の黒体が放出する光（黒体放射）のエネルギーに対する、それと同温度の当該物体が熱放射によって放出する光のエネルギー（放射輝度）の比率であり、無次元量である。

図１に示すごとく、絶縁碍子３は、その内側に、中心電極４を挿通保持するための軸孔３０をプラグ軸方向Ｘに貫通して設けている。軸孔３０は、その先端部に小径孔部３０１を有し、小径孔部３０１より基端側においては、小径孔部３０１よりも大径に形成された大径孔部３０２を有する。そして、図２に示すごとく、小径孔部３０１と大径孔部３０２との間には、先端側に向かうにつれて外径が小さくなる電極支承部３０３が形成されている。電極支承部３０３に中心電極４がプラグ軸方向Ｘに支承された状態で、中心電極４が絶縁碍子３に保持されている。

図１、図２に示すごとく、中心電極４は、中心電極母材４１とその先端に接合された貴金属チップ４２とからなる。貴金属チップ４２は、円柱形状を有し、中心電極母材４１の先端に溶接等によって接合されている。

中心電極母材４１は、基端部に、径方向外向きに突出する鍔部４１１を有する。この鍔部４１１が絶縁碍子３の電極支承部３０３にプラグ軸方向Ｘから支承された状態で、中心電極４が絶縁碍子３に保持されている。

中心電極４の基端側には、導電性のガラスシール１２を介してレジスタ６が配されている。ガラスシール１２は、ガラスに銅粉（Ｃｕ）を混入させてなる銅ガラスからなる。

レジスタ６は、少なくともカーボン又はセラミック粉末等の抵抗材及びガラス粉末を含むレジスタ組成物を加熱封着することにより形成する、あるいはカートリッジ型抵抗体を挿入することによって構成することができる。

レジスタ６の基端側には、銅ガラスからなるガラスシール１２を介してステム１１が配されている。ステム１１は、絶縁碍子３の内側に挿通保持されるステム本体１１１と、ステム本体１１１の基端側において絶縁碍子３から露出し、点火コイルと接続されたターミナル１１２とを有している。ステム１１は、例えば鉄合金からなる。

ハウジング２の先端面２４には、接地電極５が配設されている。接地電極５は、ハウジング２の先端面２４から、プラグ軸方向Ｘに直交する方向において、プラグ中心軸に向かうように真っ直ぐ延びている。そして、接地電極５は、中心電極４の先端面に対して、プラグ軸方向Ｘに対向している。これにより、中心電極４と接地電極５との間に、火花放電ギャップＧが形成されている。

次に、プラグ軸方向Ｘにおける、高放射率面７と、レジスタ６、ハウジング２の各部、中心電極４、との位置関係について説明する。

図１、図２に示すごとく、本例において、絶縁碍子３の外周面のうち、レジスタ６の先端部よりも先端側であって、ハウジング２の内周面に対向する部分の少なくとも一部には、高放射率面７が形成されている。また、絶縁碍子３の外周面のうち、被係止段部３４よりも基端側であって、ハウジング２の内周面に対向する部分の少なくとも一部には、高放射率面７が形成されている。

また、高放射率面７は、プラグ径方向において、中心電極母材４１及びレジスタ６と部分的に重なるように配されている。つまり、プラグ軸方向Ｘにおいて、高放射率面７の先端７１は、中心電極母材４１における鍔部４１１よりも先端側の部位と同位置にあり、高放射率面７の基端７２は、レジスタ６の先端と基端との間の位置にある。また、図１、図２に示すごとく、高放射率面７は、プラグ径方向において、ハウジング２の取付ネジ部２１と少なくとも一部が重なるように配されている。また、図３に示すごとく、高放射率面７は、絶縁碍子３の全周に形成されている。

次に、高放射率面７の放射率の測定方法の一例について説明する。
まず、接触式の温度センサや熱電対等で、高放射率面７の温度を測定する。ここで測定された温度値を、以下において実測温度値という。次に、非接触式の温度センサを備えた放射温度計において、予め任意の熱放射率を設定しておき、高放射率面７の温度を測定する。ここで測定された温度値が、実測温度値と異なる場合には、放射温度計で設定していた放射率を変更する。すなわち、放射温度計における熱放射率の設定値を、放射温度計によって測定される温度値が実測温度値と同値になるように調整する。例えば、放射温度計が示した温度値が、実測温度値よりも低かった場合、放射温度計で設定していた熱放射率をより低い値に変更する。

そして、放射温度計が示す高放射率面７の温度値が、実測温度値と同値になったときの、放射温度計における熱放射率の設定値が、高放射率面７の熱放射率である。このようにして、高放射率面７の熱放射率を測定することができる。

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において、絶縁碍子３の外周面の所定の部位には、熱放射率が０．７以上である高放射率面７が形成されている。それゆえ、中心電極４の熱を、絶縁碍子３の外周面の高放射率面７から放射し、ハウジング２へ放熱しやすくなる。これにより、レジスタ６の温度上昇を抑制しやすくなる。また、これに伴い、レジスタ６を中心電極４の先端から基端側へ大きく遠ざける必要もなくなり、雑防性を確保することができる。

また、レジスタ６の先端部よりも先端側に高放射率面７が形成されていることにより、中心電極４の熱がレジスタ６へ伝わる前に、中心電極４の熱を、その外周側の絶縁碍子３を介してハウジング２に放熱しやすくすることができる。これにより、中心電極４からレジスタ６へ伝わる熱を少なくすることができ、レジスタ６が高温になってしまうことを防ぐことができる。

また、被係止段部３４よりも基端側に、高放射率面７が形成されている。つまり、プラグ軸方向Ｘにおいて、被係止段部３４とレジスタ６の基端部との間に、高放射率面７が形成されている。この部位は、絶縁碍子３の外周面とハウジング２の内周面とが近接するため、この領域に高放射率面７を形成することで、効率的に中心電極４の熱をハウジング２へ放熱することができる。

以上のごとく、本例によれば、雑防性を確保しつつ、レジスタの温度上昇を抑制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）
本例は、高放射率面７以外の基本構成を実施例１のスパークプラグ１と同じくするスパークプラグにつき、絶縁碍子３の小外径部３２の外周面の熱放射率を種々変更したときの、レジスタ６の先端部の温度の変化を解析評価した例である。

具体的には、スパークプラグとして、絶縁碍子３の小外径部３２の外周面の熱放射率を、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、及び、０．９としたものの６種類につき熱伝導解析を行った。なお、熱放射率０．４は、アルミナからなる絶縁碍子３の表面の熱放射率に相当する。

そして、これらの６種類のスパークプラグ１それぞれに対し、内燃機関に取り付けたときに燃焼室に曝される先端部の表面から所定の熱量を与えたときの、レジスタ６の先端部の温度Ｔを解析した。その結果を、図６において折れ線Ｌ１にて示している。ここで、上記所定の熱量とは、実際の内燃機関の燃焼室から、スパークプラグ１の先端部が受ける熱量と同程度の熱量をいう。

図６から、温度Ｔは、熱放射率が増加するにつれて、低くなることが分かる。特に、熱放射率が０．７のとき、図６における折れ線Ｌ１の傾きが充分に小さくなり始める点があることに加え、レジスタ６の先端部の温度を、レジスタ６の耐久信頼性を確保できる閾値である３３０℃まで低減できる。また、熱放射率を０．８、０．９とすることにより、温度Ｔをさらに下げることができている。

この結果から、絶縁碍子３の小外径部３２の熱放射率を０．７以上にすれば、レジスタ６の温度上昇を効果的に防止することができると言える。また、実機での使用環境のバラつきを考慮すると、絶縁碍子３の小外径部３２の熱放射率は、０．８以上とすることが好ましく、０．９以上とすることがさらに好ましいと言える。つまり、本例の結果から、熱放射率０．７以上の高放射率面７を絶縁碍子３の外周面の所定部位に設けることにより、レジスタ６の温度上昇を抑制できると言える。そして、高放射率面７の熱放射率を０．８以上とすることが好ましく、０．９以上とすることがさらに好ましいと言える。

（実施例２）
本例は、図７〜図９に示すごとく、実施例１に対して、ハウジング２、接地電極５等の形状を変更した例である。
ハウジング２は、先端部に、他の部位よりも内径が小さい縮径部２５を有する。接地電極５は、縮径部２５の先端面２４１上に突出するように配置されると共に、接地電極５の内周面が中心電極４の外周面に対向するように環状に形成されている。これにより、ハウジング２は、縮径部２５が、絶縁碍子３を先端側から覆うような構成となっている。

図９に示すごとく、接地電極５は、ハウジング２と同軸（プラグ中心軸）状に配されている。接地電極５は、その基端面を、ハウジング２の縮径部２５の先端面２４１に面接触させた状態で接合されている。図７〜図９に示すごとく、接地電極５の外径は、ハウジング２の外径よりも小さい。また、接地電極５は、その内径がハウジング２の縮径部２５の内径よりも小さい。

図７、図８に示すごとく、中心電極４は、ハウジング２の縮径部２５及び接地電極５の内側に配されている。すなわち、本例の火花放電ギャップＧは、ハウジング２の先端面２４よりも先端側に位置している。

そして、高放射率面７は、実施例１と同様に、絶縁碍子３の小外径部３２の外周面の全領域に形成されている。また、プラグ軸方向Ｘにおいて、高放射率面７の先端７１は、中心電極母材４１における鍔部４１１よりも先端側の部位と同位置にあり、高放射率面７の基端７２は、レジスタ６の先端と基端との間の位置にある。

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、ハウジング２がその先端部に縮径部２５を有し、縮径部２５が、絶縁碍子３を先端側から覆うような構成となっているため、絶縁碍子３、中心電極４、レジスタ６の温度が高くなりやすい。したがって、本例の構成において、絶縁碍子３の外周面に高放射率面７を設け、絶縁碍子３からの放熱効果を得ることにより、レジスタ６の温度上昇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。

（実施例３）
本例は、図１０に示すごとく、ハウジング２よりも基端側において、絶縁碍子３に、定電圧素子１４を設けた例である。定電圧素子１４は、所定電圧以上の電圧が火花放電ギャップＧに印加されることを防止するために設けられ、例えばツェナーダイオードからなる。定電圧素子１４は、絶縁碍子３の外表面に形成された素子配置溝３７に配されている。定電圧素子１４は、プラグ軸方向Ｘにおいて、レジスタ６よりも基端側に配されている。

本例のように絶縁碍子３内に定電圧素子１４等の電子部品を設けた場合であっても、絶縁碍子３の外周面に高放射率面７を形成することにより、中心電極４の先端の熱が、定電圧素子１４に伝熱し、定電圧素子１４が高温になることを防ぐことができる。すなわち、絶縁碍子３の外周面からクリアランス１０（空気層）へ、絶縁碍子３の熱が効果的に放出されやすくなる。それゆえ、中心電極４の先端から、絶縁碍子３を介して基端側へ伝わる熱量を低減させることができる。その結果、定電圧素子１４が高温になることを防ぐことができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、種々の形態を採り得る。そして、高放射率面は、絶縁碍子の外周面のうち、レジスタの基端部よりも先端側であって、ハウジングの内周面に対向する部分の少なくとも一部に設けてあれば、必ずしも実施例１〜３のように、絶縁碍子３の小外径部３２の外周面の全領域に設けていなくてもよい。

１内燃機関用のスパークプラグ
１１ステム
２ハウジング
３絶縁碍子
４中心電極
５接地電極
６レジスタ
７高放射率面
Ｇ火花放電ギャップ

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、
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、
該中心電極（４）との間に火花放電ギャップ（Ｇ）を形成する接地電極（５）と、
上記中心電極（４）の基端側において上記絶縁碍子（３）の内側に保持されたレジスタ（６）と、
該レジスタ（６）の基端側において上記絶縁碍子（３）の内側に保持されたステム（１１）と、を有し、
上記絶縁碍子（３）の外周面のうち、上記レジスタ（６）の基端部よりも先端側であって、上記ハウジング（２）の内周面に対向する部分の少なくとも一部には、熱放射率が０．７以上である高放射率面（７）が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）。
上記絶縁碍子（３）の外周面のうち、上記レジスタ（６）の先端部よりも先端側であって、上記ハウジング（２）の内周面に対向する部分の少なくとも一部には、上記高放射率面（７）が形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）。
上記絶縁碍子（３）は、上記ハウジング（２）の内周側に設けられた係止段部（２３）に対してプラグ軸方向（Ｘ）に係止される被係止段部（３４）を有し、上記絶縁碍子（３）の外周面のうち、上記被係止段部（３４）よりも基端側であって、上記ハウジング（２）の内周面に対向する部分の少なくとも一部には、上記高放射率面（７）が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）。
上記ハウジング（２）は、先端部に、他の部位よりも内径が小さい縮径部（２５）を有し、上記接地電極（５）は、上記縮径部（２５）の先端面（２４１）上に突出するように配置されると共に、上記接地電極（５）の内周面（５１）が上記中心電極（４）の外周面（４３）に対向するように環状に形成されてい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）。