JP6414398B2

JP6414398B2 - 内燃機関用のスパークプラグ

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Publication number: JP6414398B2
Application number: JP2014136947A
Authority: JP
Inventors: 柴田　正道; 正道柴田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2034-07-02
Also published as: JP2016015258A

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、パッキンの内周面と、絶縁碍子の外周面との間に漏洩電流を発生させて、絶縁碍子の外周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、
上記ハウジングは、その内周面における中心軸線方向の一部が縮径して形成された棚部を有しており、
上記絶縁碍子は、上記先端側位置に近い位置に形成された先端側碍子部と、該先端側碍子部の後端側に位置して、該先端側碍子部よりも拡径して形成された後端側碍子部と、該後端側碍子部と上記先端側碍子部との間に形成された段差面とを有しており、
上記棚部の後端側端面と上記段差面との間には、環状のパッキンが挟持されており、
該パッキンの内周面には、周方向の複数箇所において、凹凸が繰り返し形成されており、
上記パッキンの内周面における上記凹凸の凸部の先端は、上記棚部の後端側端面と上記段差面との間から先端側に突出しており、
上記凸部の先端の上記中心軸線方向における突出量は、０〜１ｍｍの範囲内にあ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、パッキンの内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。
パッキンの内周面に凹凸が形成されていることにより、パッキンの内周面と絶縁碍子の先端側碍子部の外周面との隙間、及びパッキンの内周面の中心軸線方向の位置の少なくとも一方は、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、先端側碍子部の外周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先端側碍子部の外周面に付着したカーボン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て、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、パッキン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、絶縁碍子の外周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、パッキンの内周面と、絶縁碍子の外周面との間に漏洩電流を発生させて、絶縁碍子の外周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、パッキン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パッキンの周辺を拡大して示す断面図。実施例にかかる、他のパッキン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パッキン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パッキン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パッキン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、パッキンの内周面における凹凸の凸部の先端の中心軸線方向における突出量と、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、パッキンの凹凸における凸部の内周側先端の角部の曲率半径と、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。

ハウジング２は、図３に示すように、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の後端側に隣接して、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。図４に示すように、パッキン５の内周面５０１には、周方向Ｃの複数箇所において、凹凸５１が繰り返し形成されている。
なお、図２、図４においては、パッキン５が中心軸線方向Ｏに変形していない状態を示して、図示を簡略化している。

以下に、本例のスパークプラグ１について、図１〜図１２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、図３に示すように、ハウジング２の棚部２２は、絶縁碍子３の段差面３３を下方から受けるよう、ハウジング２の内周面２０１から突出して形成されている。棚部２２は、ハウジング２の内周面２０１の全周に形成されており、段差面３３は、絶縁碍子３の外周面３０１の全周に形成されている。棚部２２の後端側端面２２１及び絶縁碍子３の段差面３３は、後端側に向かうほど拡径する傾斜面として形成されている。
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。

環状のパッキン５は、導電性のある金属材料から構成されており、鋼板から打ち抜かれて形成されている。パッキン５は、ハウジング２との導電性が確保され、絶縁碍子３との緩衝部材となる種々の材料から構成することができる。
図３に示すように、パッキン５の内周面５０１における凹凸５１の凸部５１１の先端は、棚部２２の後端側端面２２１と段差面３３との間から先端側に突出している。棚部２２の後端側端面２２１と内周側面２２２との間の角位置２２３から、パッキン５の内周面５０１における凹凸５１の凸部５１１の先端までの中心軸線方向Ｏにおける突出量Ｌは、０〜１ｍｍの範囲内にある。なお、内周面５０１の突出量Ｌが０ｍｍの場合は、パッキン５の内周面５０１における凹凸５１の凸部５１１の先端と、棚部２２における角位置２２３とが合っている場合をいう。
また、図４に示すように、パッキン５の内周面５０１における凹凸５１の凸部５１１の内周側先端の角部５１３は、曲率半径Ｒが０．３ｍｍ以下の曲面形状に形成されている。なお、この角部５１３は、面取り幅が０．３ｍｍ以下の面取り形状に形成されていてもよい。

ハウジング２と絶縁碍子３との間に挟まれるパッキン５の内周側端部（凸部５１１）は、パッキン５の内周側端部が棚部２２の角位置２２３からはみ出す量、棚部２２の内周面２０１と先端側碍子部３１の外周面３０１との隙間の大きさ、この隙間とパッキン５の厚みとの関係等によって、中心軸線方向Ｏに折り曲げられる量（角度）が異なる。
図３に示すように、棚部２２の内周面２０１と先端側碍子部３１の外周面３０１との隙間が、パッキン５の厚みに比べて大幅に大きい場合には、パッキン５の内周側端部が中心軸線方向Ｏに折れ曲がる量が小さい。この場合には、パッキン５の内周面５０１における凹凸５１と、絶縁碍子３の外周面３０１との隙間が、周方向Ｃの複数箇所において繰り返し変化することになる。
一方、図５に示すように、棚部２２の内周面２０１と先端側碍子部３１の外周面３０１との隙間が、パッキン５の厚みに近い場合には、パッキン５の内周側端部が中心軸線方向Ｏに沿うように折れ曲がる。この場合には、パッキン５の内周面５０１における凹凸５１の中心軸線方向Ｏの位置が、周方向Ｃの複数箇所において繰り返し変化することになる。

図４に示すように、パッキン５の内周面５０１における凹凸５１の凸部５１１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５１１における、三角形状を形成する一対の側面５１４は、直線状に形成されている。また、図６に示すごとく、凸部５１１における一対の側面５１４は、曲線状に形成されていてもよい。これらの場合、内周面５０１の突出量Ｌは、三角形状の各凸部５１１の内周側頂点において最も大きくなる。また、凸部５１１と、絶縁碍子３の先端側碍子部３１の外周面３０１との間の隙間は、三角形状の凸部５１１の内周側頂点において最も小さくなる。

また、図７に示すように、パッキン５の内周面５０１における凹凸５１の凸部５１１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５１１における、四角形状を形成する一対の側面５１５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、内周面５０１の突出量Ｌは、四角形状の凸部５１１の周方向Ｃの両側の角部５１３又は内周側側面５１６において最も大きくなる。また、凸部５１１と、絶縁碍子３の先端側碍子部３１の外周面３０１との間の隙間は、四角形状の凸部５１１の周方向Ｃの両側の角部５１３又は内周側側面５１６において最も小さくなる。

図４に示すように、パッキン５の内周面５０１における凹凸５１の凸部５１１は、周方向Ｃに等間隔に、５〜３０°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、パッキン５の内周面５０１の周方向Ｃにおける凸部５１１の形成数によって決定される。三角形状の凸部５１１は、凸部５１１の突出高さ（凹部５１２の深さ）及び凸部５１１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、パッキン５の内周面５０１における凹凸５１は、図４に示すごとく、凸部５１１と凹部５１２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８に示すように、凸部５１１が円周形状の内周面５０１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、パッキン５の内周面５０１における凹凸５１が三角形状の凸部５１１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、パッキン５の内周面５０１における凹凸５１の凸部５１１の、角度間隔θ、突出量、曲率半径Ｒの各寸法を変化させて、サイクル数Ｎを測定した。図９〜図１２は、測定を行った結果を示す。

図９は、横軸に、隣り合う凸部５１１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３０°を超えると、サイクル数Ｎは１０回にまで低下し、３０°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２２．５°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１０に示すように、隣り合う凸部５１１同士の間に電界干渉が発生し、電界強度が低下する。
以上の結果より、パッキン５の内周面５０１における凹凸５１の凸部５１１は、周方向Ｃに等間隔に、５〜３０°の角度間隔θで繰り返し形成することが好ましく、５〜２２．５°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１１は、横軸に、パッキン５の内周面５０１における凹凸５１の凸部５１１の先端の、棚部２２の後端側端面２２１と内周側面２２２との間の角位置２２３から先端側への中心軸線方向Ｏにおける突出量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、突出量が０ｍｍ未満になると（凸部５１１の先端が角位置２２３よりも後端側に引き込まれた状態にあると）、サイクル数Ｎは１０回にまで低下し、０ｍｍ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、突出量が１ｍｍ超過になると、スパークプラグ１の組付時に、絶縁碍子３を圧迫し、絶縁碍子３の割れが発生するおそれがある。
以上の結果より、パッキン５の内周面５０１における凹凸５１の凸部５１１の先端の突出量Ｌは、０〜１ｍｍとすることが好ましいことが分かった。

図１２は、横軸に、パッキン５の内周面５０１における凹凸５１の凸部５１１の内周側先端の角部５１３の曲率半径Ｒ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、曲率半径Ｒが０．３ｍｍを超えると、サイクル数Ｎは１０回にまで低下し、０．３ｍｍ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、曲率半径Ｒが０．２ｍｍ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、上記曲率半径Ｒは、小さいほど電界強度が大きくなって好ましいが、製造上の理由により、０．０５ｍｍ未満とすることは困難であると考えられる。
以上の結果より、凸部５１１の内周側先端の角部５１３の曲率半径Ｒは、０．０５〜０．３ｍｍとすることが好ましく、０．０５〜０．２ｍｍ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、パッキン５の内周面５０１における周方向Ｃの複数箇所に、凹凸５１が繰り返し形成されている。そして、この凹凸５１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。
図３に示したように、棚部２２の内周面２０１と先端側碍子部３１の外周面３０１との隙間が、パッキン５の厚みに比べて大幅に大きい場合には、パッキン５の内周面５０１における凹凸５１と絶縁碍子３の先端側碍子部３１の外周面３０１との隙間は、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、先端側碍子部３１の外周面３０１にカーボンＸが付着していく（図２、図３参照）。このとき、凹凸５１における凸部５１１と先端側碍子部３１の外周面３０１に付着したカーボンＸとの間における径方向の隙間が所定の隙間以下になると、凸部５１１における電界集中により絶縁破壊が発生して、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。

一方、図５に示したように、棚部２２の内周面２０１と先端側碍子部３１の外周面３０１との隙間が、パッキン５の厚みに近い場合には、凹凸５１の中心軸線方向Ｏの位置が、周方向Ｃの複数箇所において繰り返し変化している。この場合、凹凸５１における凸部５１１と先端側碍子部３１の外周面３０１に付着したカーボンＸとの間における中心軸線方向Ｏの隙間が所定の隙間以下になると、凸部５１１における電界集中により、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５１１の角部５１３が放電の起点となり、パッキン５の周方向Ｃにおけるいずれかの凸部５１１において、選択的に漏洩電流が流れる。そして、凸部５１１に対向する、絶縁碍子３の外周面３０１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。
パッキン５の内周面５０１における凹凸５１の凸部５１１が三角形状を有している場合には、凸部５１１の内周側頂点において漏洩電流が発生し、この凸部５１１の内周側頂点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。
また、パッキン５の内周面５０１における凹凸５１の凸部５１１が四角形状を有している場合には、凸部５１１の周方向Ｃの両側の角部５１３において漏洩電流が発生し、この凸部５１１の周方向Ｃの両側の角部５１３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、パッキン５の内周面５０１と、絶縁碍子３の外周面３０１との間に漏洩電流を発生させて、絶縁碍子３の外周面３０１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
２０１内周面
２１接地電極
２２棚部
２２１後端側端面
３絶縁碍子
３０１外周面
３１先端側碍子部
３２後端側碍子部
３３段差面
４中心電極
５パッキン
５１凹凸

Claims

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）を有しており、
上記絶縁碍子（３）は、上記先端側位置に近い位置に形成された先端側碍子部（３１）と、該先端側碍子部（３１）の後端側に位置して、該先端側碍子部（３１）よりも拡径して形成された後端側碍子部（３２）と、該後端側碍子部（３２）と上記先端側碍子部（３１）との間に形成された段差面（３３）とを有しており、
上記棚部（２２）の後端側端面（２２１）と上記段差面（３３）との間には、環状のパッキン（５）が挟持されており、
該パッキン（５）の内周面（５０１）には、周方向（Ｃ）の複数箇所において、凹凸（５１）が繰り返し形成されており、
上記パッキン（５）の内周面（５０１）における上記凹凸（５１）の凸部（５１１）の先端は、上記棚部（２２）の後端側端面（２２１）と上記段差面（３３）との間から先端側に突出しており、
上記凸部（５１１）の先端の上記中心軸線方向（Ｏ）における突出量（Ｌ）は、０〜１ｍｍの範囲内にあることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ（１）。
上記凹凸（５１）における凸部（５１１）は、上記中心軸線方向（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）。
上記凹凸（５１）における凸部（５１１）は、上記周方向（Ｃ）に等間隔に、５〜３０°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）。
上記凹凸（５１）における凸部（５１１）の内周側先端に形成される角部（５１３）は、曲率半径（Ｒ）又は面取り幅が０．３ｍｍ以下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）。