JP6373447B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明はスパークプラグに関し、特に耐熱性を向上できるスパークプラグに関するものである。

スパークプラグは、絶縁体を保持する主体金具のねじ部が、ねじ穴に結合してエンジンに取り付けられる。ねじ穴からの燃焼ガスの漏洩を防ぐため、径方向外側に突出する主体金具の座部とエンジンとの間にガスケットが配置される（特許文献１）。

特開２０１３−１４９６２３号公報

しかしながら上記従来の技術において、耐熱性の向上に対する要求がある。

本発明は上述した要求に応えるためになされたものであり、熱伝達性を良くして耐熱性を向上できるスパークプラグを提供することを目的としている。

この目的を達成するために本発明のスパークプラグは、軸線方向に延びる筒状の主体金具は径方向外側に座部が突出し、座部の先端面に対面して環状のガスケットが配置される。ガスケットのうち座部の先端面に接する第１面の算術平均粗さＧを座部の先端面の算術平均粗さＳで除した値Ｇ／Ｓは０．５≦Ｇ／Ｓ≦２．０を満たす。算術平均粗さＧは０．１６μｍ以下である。第１面の裏側の第２面の面積および第１面の面積の平均値は２８０ｍｍ^２以下である。

請求項１記載のスパークプラグによれば、座部からガスケットへの熱伝達性を向上させ、第１面の面積および第２面の面積の平均値が２８０ｍｍ^２以下のガスケットを介して熱をエンジンへ放散できるので、耐熱性を向上できる効果がある。

請求項２記載のスパークプラグによれば、ガスケットは中実の板状なので、熱伝導に寄与するガスケットの断面積を確保できる。よって、請求項１の効果に加え、ガスケットの熱伝導性を良くして耐熱性を向上できる効果がある。

請求項３記載のスパークプラグによれば、ガスケットは外径が１５ｍｍ以下なので、請求項１又は２の効果に加え、耐熱性を確保しつつスパークプラグを小径化できる効果がある。

本発明の一実施の形態におけるスパークプラグの片側断面図である。 （ａ）はガスケットの平面図であり、（ｂ）は図２（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線におけるガスケットの軸線Ｏを含む断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態におけるスパークプラグ１０の片側断面図である。図１では、紙面下側をスパークプラグ１０の先端側、紙面上側をスパークプラグ１０の後端側という。スパークプラグ１０は、絶縁体１１及び主体金具１５を備えている。

絶縁体１１は、機械的特性や高温下の絶縁性に優れるアルミナ等により形成された部材であり、軸線Ｏに沿って貫通する軸孔１２が形成されている。軸孔１２の先端側に中心電極１３が配置される。

中心電極１３は、軸線Ｏに沿って延びる棒状の部材であり、銅または銅を主成分とする芯材がニッケル又はニッケル基合金で覆われている。中心電極１３は絶縁体１１に保持され、先端が軸孔１２から露出する。

端子金具１４は、高圧ケーブル（図示せず）が接続される棒状の部材であり、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成されている。端子金具１４は、先端側が軸孔１２に圧入された状態で、絶縁体１１の後端に固定されている。

絶縁体１１の後端から軸線Ｏ方向に所定の距離だけ離れた絶縁体１１の外周の先端側に、端子金具１４と絶縁距離を確保して、主体金具１５が加締め固定されている。主体金具１５は、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成された略円筒状の部材である。主体金具１５は、径方向の外側へ鍔状に張り出す円環状の座部１６と、座部１６より先端側の外周面に形成されたねじ部１８とを備えている。主体金具１５は、エンジン３０（シリンダヘッド）のねじ穴にねじ部１８を締結して固定される。座部１６の先端面１７とエンジン３０との間にガスケット２０（後述する）が配置される。

接地電極１９は、主体金具１５の先端に接合される金属製（例えばニッケル基合金製）の部材である。本実施の形態では、接地電極１９は棒状に形成されており、先端側が屈曲し中心電極１３と対向する。接地電極１９は、中心電極１３との間に火花ギャップを形成する。

ガスケット２０は、座部１６の先端面１７に接する第１面２１と、エンジン３０に対面する第２面２２とを備える円環状の部材である。ガスケット２０は、座部１６とエンジン３０との間に挟まれて、エンジン３０のねじ穴からの燃焼ガスの漏洩を防ぐ。ガスケット２０は銅を主成分とする金属製であり、銅以外にニッケル、スズ、リン等の元素を含有する。但し、ガスケット２０は銅を主成分とするものに限られるものではなく、軟鋼、純鉄、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン等の他の公知の材質を採用することは当然可能である。

図２（ａ）はガスケット２０の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線におけるガスケット２０の軸線Ｏを含む断面図である。本実施の形態では、ガスケット２０は中実の板状である。中実とは、中身が詰まっており中空部分を有していないこと、具体的には板材が折り曲げられて作成されたものではないことをいう。

ガスケット２０は、円環状の第１面２１と、第１面２１の反対側に設けられた円環状の第２面２２と、ガスケット２０の外周側で第２面２２と第１面２１とを連絡する外周側側面２３と、第１面２１の近くから径方向の内側へ突出する突部２４と、突出部２４と第２面２２とを連絡する内周側側面２６と、を備えている。突部２４は、ねじ部１８（図１参照）の後端部に係合して、ねじ部１８に対するガスケット２０の軸方向の移動を規制する部位である。突部２４の内周面２５は、軸線Ｏに対して傾斜している。

第１面２１は、座部１６（図１参照）の先端面１７に接触する面であり、外周側側面２３及び内周面２５に隣り合う面である。第２面２２は、エンジン３０（図１参照）に接触する面であり、外周側側面２３及び内周側側面２６に隣り合う面である。

ガスケット２０は、第１面２１の面積と第２面２２の面積とを足して２で割った平均値が２８０ｍｍ^２以下に設定される。本実施の形態では、ガスケット２０は外径Ｄが１５ｍｍ以下である。

スパークプラグ１０は、ガスケット２０の第１面２１の算術平均粗さＲａ（以下「Ｇ」と称す）が０．１６μｍ以下であり、座部１６の先端面１７の算術平均粗さＲａ（以下「Ｓ」と称す）で算術平均粗さＧを除した値Ｇ／Ｓが、０．５≦Ｇ／Ｓ≦２．０を満たすように設定される。なお、この表面粗さはエンジン３０にスパークプラグ１０が取り付けられる前の座部１６及びガスケット２０のものである。

算術平均粗さＧ，Ｓは、ＪＩＳ Ｂ０６０１（２０１３年版）に準拠して算出される。算術平均粗さＧ，Ｓは、第１面２１及び先端面１７を周方向に等分した８か所の算術平均粗さの平均値である。第１面２１の算術平均粗さを求める部分は、第２面２２の裏側の部分（突部２４を除いた部分）である。突部２４は、第１面２１及び第２面２２が押されて圧縮応力が生じる部分ではないので、座部１６はガスケット２０の熱伝導にほとんど寄与しないからである。従って、突部２４を除いた部分の第１面２１の表面粗さを求める。

座部１６の先端面１７及びガスケット２０の第１面２１の粗さが、Ｇ≦０．１６μｍ且つ０．５≦Ｇ／Ｓ≦２．０を満たすことにより、座部１６からガスケット２０への熱伝達性を向上させ、ガスケット２０を介して熱をエンジン３０へ放散できる。その結果、スパークプラグ１０の耐熱性を向上できる。

ガスケット２０は中実の板状なので、軸線Ｏと直交するガスケット２０の断面積を確保できる。ガスケット２０の断面積は熱伝導に寄与するので、ガスケット２０の熱伝導性を良くしてスパークプラグ１０の耐熱性を向上できる。

ガスケット２０は第１面２１の面積および第２面２２の面積の平均値が２８０ｍｍ^２以下に設定されるので、スパークプラグ１０を小径化できる。本実施の形態では、ガスケット２０は外径Ｄが１５ｍｍ以下である。しかし、外径の小さいスパークプラグ１０は、中心電極１３や主体金具１５の断面積が小さくなるので熱伝達性（いわゆる熱引き）が低下する傾向がみられる。しかし、先端面１７及び第１面２１の粗さを上記のように設定することで、第１面２１の面積および第２面２２の面積の平均値が２８０ｍｍ^２以下のガスケット２０の熱伝達性を向上できるので、スパークプラグ１０の耐熱性を確保しつつスパークプラグ１０を小径化できる。

本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

アームに支持されたアルミニウム合金製のナットに、スパークプラグ１０のねじ部１８を締結してスパークプラグ１０の座部１６とナットとの間にガスケット２０を挟み付けた。ナットから突出した接地電極１９をバーナで加熱し、座部１６の温度とガスケット２０の温度との差を測定してガスケット２０の熱伝達性を評価する試験を行った。以下、試験方法を説明する。

（試験に用いたサンプル）
試験に用いたスパークプラグ１０は、ねじ部１８の呼び径が１０ｍｍであった。ガスケット２０は銅を主成分とする金属製の円環状の中実の板材であり、寸法は外径１４．８ｍｍ（公差＋０．３ｍｍ、−０ｍｍ）、内径９．９ｍｍ（公差＋０．１ｍｍ、−０ｍｍ）、厚さ１．５ｍｍ（公差±０．０５ｍｍ）であった。スパークプラグ１０の座部１６の外径は、ガスケット２０の外径よりも大きくした。ねじ部１８を締結したナットの寸法は二面幅（六角対辺）３０ｍｍ（公差＋０ｍｍ、−０．５ｍｍ）、厚さ約１０ｍｍであった。スパークプラグ１０（ガスケット２０を含む）の大きさ及び材質は同一とし、表面粗さだけが異なる座部１６及びガスケット２０をもった種々のスパークプラグ１０（サンプル１〜２３）を準備した。

比較のため、ねじ部１８の呼び径が１２ｍｍのスパークプラグ１０（サンプル２４〜２９）及びねじ部１８の呼び径が１４ｍｍのスパークプラグ１０（サンプル３０〜３３）を準備した。サンプル２４〜３３におけるガスケット２０も、銅を主成分とする金属製の円環状の中実の板材とした。サンプル１〜３３におけるガスケット２０の第１面２１の面積と第２面２２の面積とを足して２で割った平均値を求めた。

（表面粗さの測定）
ガスケット２０を主体金具１５に取り付ける前に、座部１６の先端面１７、ガスケット２０の第１面２１及び第２面２２の算術平均粗さＲａを、接触式表面粗さ測定機を使い、ＪＩＳ Ｂ０６０１（２０１３年版）に準拠して求めた。算術平均粗さは、先端面１７、第１面２１及び第２面２２を周方向に等分した８か所の平均値である。カットオフ値λｃ８０μｍの高域フィルタによって長波長成分（うねり成分）を遮断して、測定か所の粗さ成分を求めた。１つの測定か所における測定長さは約８００μｍであった。

（試験）
ガスケット２０を主体金具１５に取り付けた後、アームに支持されたナットに、スパークプラグ１０のねじ部１８を１５Ｎ・ｍのトルクで締め付けて、座部１６とナットとの間にガスケット２０を挟んだ状態でスパークプラグ１０を取り付けた。スパークプラグ１０の接地電極１９の温度が９００℃になるようにバーナの炎で接地電極１９の先端を加熱し、加熱開始から５分後の座部１６の側面の中心の温度とガスケット２０の外周側側面２３の中心の温度とを熱電対で測定した。

この試験では、座部１６からガスケット２０へ伝わった熱は、ナットからアームへ伝達される。そのため、座部１６とガスケット２０との温度差が小さい方が、ガスケット２０の熱伝達性が良いといえる。そこで、座部１６の側面の中心の温度とガスケット２０の外周側側面２３の中心の温度との差が２℃以下のサンプルを「〇：優れる」と評価した。

第１面２１の面積および第２面２２の面積の平均値、座部１６の先端面１７、ガスケット２０の第１面２１及び第２面２２の算術平均粗さ、座部１６の側面の中心の温度、ガスケット２０の外周側側面２３の中心の温度、その温度差、評価を表１に示した。

表１によれば、座部１６に接するガスケット２０の第１面２１の算術平均粗さ（Ｇ）が０．１６μｍ以下であって、第１面２１の算術平均粗さ（Ｇ）を座部１６の先端面１７の算術平均粗さ（Ｓ）で除した値Ｇ／Ｓが０．５≦Ｇ／Ｓ≦２．０を満たすサンプル１〜１２は、エンジン３０に接するガスケット２０の第２面２２の算術平均粗さに関わらず、座部１６とガスケット２０との温度差を２℃以下にできることが確認された。

一方、サンプル１６，１８，１９，２２，２３は第１面２１の算術平均粗さ（Ｇ）が０．１６μｍ以下であるにも関わらず、座部１６とガスケット２０との温度差を２℃以下にできなかった。サンプル１６，１８，１９，２２，２３はＧ／Ｓ＜０．５であり、０．５≦Ｇ／Ｓ≦２．０を満たさなかった。従って、座部１６からガスケット２０への熱伝達は、ガスケット２０の第１面２１の算術平均粗さ（Ｇ）と座部１６の先端面１７の算術平均粗さ（Ｓ）との関係（Ｇ／Ｓ）に依存することが明らかになった。

また、サンプル２７〜２９，３２，３３は第１面２１の算術平均粗さ（Ｇ）が０．２μｍであり、Ｇが０．１６μｍより大きいにも関わらず、座部１６とガスケット２０との温度差を２℃以下にできることがわかった。サンプル２７〜２９，３２，３３は第１面２１の面積および第２面２２の面積の平均値が２８０ｍｍ^２よりも大きい３８０ｍｍ^２又は４９５ｍｍ^２なので、ガスケット２０や先端面１７の表面粗さを管理しなくても、座部１６からガスケット２０への熱伝達性を確保できると推察される。

この実施例によれば、ガスケット２０の第１面２１の算術平均粗さ（Ｇ）が０．１６μｍ以下であって、第１面２１の算術平均粗さ（Ｇ）を座部１６の先端面１７の算術平均粗さ（Ｓ）で除した値Ｇ／Ｓが０．５≦Ｇ／Ｓ≦２．０を満たすようにすることで、第１面２１の面積および第２面２２の面積の平均値が２８０ｍｍ^２以下のガスケット２０であっても、座部１６からガスケット２０への熱伝達を良くできることが確認された。サンプル１〜１２は、ガスケット２０の第１面２１と座部１６の先端面１７との馴染みを良くすることができ、熱伝達性を向上できたと推察される。座部１６からガスケット２０への熱伝達性を向上させると、ガスケット２０を介して主体金具１５及び絶縁体１１の熱をエンジン３０へ十分に放散できるので、表面積の小さいガスケットが装着された小径のスパークプラグ１０の耐熱性を向上できることが明らかである。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。例えば、ガスケット２０の形状や寸法等はこれに限られるものではなく適宜設定できる。

上記実施の形態では、中実の板材でガスケット２０が形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。弾性を増すために板材を折り曲げて内部に中空部分を設けたガスケットを採用することは当然可能である。ガスケットの座部１６側の面の表面粗さと座部１６の先端面１７の表面粗さとを設定することにより、ガスケットと座部１６との馴染みを良くすることができるので、座部とガスケットとの熱伝達を向上できるからである。

上記実施の形態では、中心電極１４の先端に接地電極１９が対向するスパークプラグ１０について説明したが、スパークプラグの構造は必ずしもこれに限られるものではない。ガスケット２０を備える他のスパークプラグに、本実施の形態における技術を適用することは当然可能である。他のスパークプラグとしては、例えば、中心電極１４の側面に接地電極１９が対向するスパークプラグ、主体金具１７に複数の接地電極１９を接合した多極のスパークプラグ、中心電極よりも軸方向に突出する主体金具の先端に円環状の接地電極を配置したスパークプラグ、接地電極１９が省略され有底筒状の絶縁体に中心電極が覆われたスパークプラグなどが挙げられる。

１０ スパークプラグ
１５ 主体金具
１６ 座部
１７ 先端面
２０ ガスケット
２１ 第１面
２２ 第２面
Ｏ 軸線

Claims (3)

1. 径方向外側に突出する座部を備え軸線方向に延びる筒状の主体金具と、前記座部の先端面に対面して配置される環状のガスケットと、を備えるスパークプラグであって、
   前記ガスケットのうち前記座部の前記先端面に接する第１面の算術平均粗さＧを前記座部の前記先端面の算術平均粗さＳで除した値Ｇ／Ｓは０．５≦Ｇ／Ｓ≦２．０を満たし、
   前記算術平均粗さＧは０．１６μｍ以下であり、
   前記第１面の裏側の第２面の面積および前記第１面の面積の平均値は２８０ｍｍ^２以下であるスパークプラグ。
2. 前記ガスケットは、中実の板状である請求項１記載のスパークプラグ。
3. 前記ガスケットは、外径が１５ｍｍ以下である請求項１又は２に記載のスパークプラグ。

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