JP6460969B2

JP6460969B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP6460969B2
Application number: JP2015245053A
Authority: JP
Inventors: 謙治伴
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2035-12-16
Also published as: JP2017111960A

Description

本発明は、スパークプラグに関する。

近年では、地球環境保護の観点から、自動車の低燃費・低排出ガスを目的とした各種の技術開発が進んでいる。例えば、エンジンの開発では、いわゆるタンブル流を強化し、燃焼室内の流速を速くすることによって、より少ない燃料で効率的に燃焼を行う技術が採用されている。

一方、スパークプラグにおいても、このような技術開発との関連において、更に着火性能を高めたスパークプラグが求められている。例えば、特許文献１に記載されたスパークプラグでは、接地電極の一部を肉薄にし、混合気の流れを接地電極で阻害しない形状に整形することによって、着火性能を向上させる技術が開示されている。

特開２００８−１１２６０８号公報

しかし、本願の発明者は、接地電極については更に改良の余地があり、特に、その形状を改良することによってスパークプラグの着火性能を更に改善できることを見いだした。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、軸線の方向に延びる軸孔を有する筒状の絶縁体と、前記軸孔の先端から自身の先端が突出するように前記絶縁体の内側に保持された中心電極と、前記絶縁体を収容する主体金具と、基端部が前記主体金具の先端部に接合され、先端部が前記中心電極の先端面に対向する接地電極と、を有するスパークプラグが提供される。前記接地電極は、前記中心電極の先端面に対向する対向部を有する内面と、前記内面に隣接するとともに前記先端部から前記基端部にかけて延びる第１側面及び第２側面と、前記内面の反対側の面であって前記先端部から前記基端部にかけて延びる外側面と、を備える。このスパークプラグにおいて、前記絶縁体の先端を通り前記軸線と垂直に交わる第１仮想直線と、前記接地電極の前記対向部を通り前記軸線と垂直に交わる第２仮想直線と、の間にある前記軸線の方向の範囲内において、前記第１側面と前記第２側面の少なくとも一方に前記接地電極の外側面側から内面側に向かって延びる凹状の溝が形成されており、前記溝は、前記軸線の方向に沿って測った前記溝の幅が前記接地電極の外側面側から内面側に向かって次第に狭くなることを特徴とする。
このスパークプラグによれば、接地電極の第１側面と第２側面の少なくとも一方に溝を設け、溝の幅が接地電極の外側面の側から内面の側に向かって次第に狭くなるようにしたので、混合気を溝によって整流して効率よく火花ギャップに誘導でき、着火性能が向上する。

（２）上記スパークプラグにおいて、前記溝は、前記第１側面及び前記第２側面の両方に形成されているものとしてもよい。
このスパークプラグによれば、溝を接地電極の両側面に設けたので、着火性能を更に向上できる。

（３）上記スパークプラグにおいて、前記接地電極の前記外側面側から前記内面側に近づくほど前記溝の深さが増大するものとしてもよい。
このスパークプラグによれば、外側面側から内面側に近づくほど溝の深さが増大する形状としたので、溝による混合気の整流効果が増大し、着火性能を更に向上できる。

（４）上記スパークプラグにおいて、前記溝は、前記接地電極の前記外側面における前記溝の第１の幅の中心と、前記接地電極の前記内面における前記溝の第２の幅の中心と、を結ぶ第３仮想直線が、前記中心電極の先端面と前記接地電極の前記対向部との間の前記軸線の方向の範囲を通過するように形成されているものとしてもよい。
このスパークプラグによれば、溝による混合気の整流効果が増大し、着火性能を更に向上できる。

（５）上記スパークプラグにおいて、前記溝は、前記軸線の方向に沿って前記第３仮想直線と前記中心電極の先端面と前記接地電極の前記対向部とを投影した投影図上において、前記第３仮想直線が前記中心電極の先端面と前記接地電極の前記対向部とが重なる範囲を通過するように形成されているものとしてもよい。
このスパークプラグによれば、溝による混合気の整流効果が増大し、着火性能を更に向上できる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、スパークプラグの製造方法等の形態で実現することができる。

第１実施形態のスパークプラグを示す正面図。第１実施形態のスパークプラグの先端部分を拡大して示す説明図。第２実施形態のスパークプラグの先端部分を拡大して示す説明図。比較例のスパークプラグの先端部分を拡大して示す説明図。

図１は、本発明の一実施形態としてのスパークプラグ１００を示す正面図である。図１において、スパークプラグ１００の発火部が存在する下側をスパークプラグ１００の先端側と定義し、上側を後端側と定義して説明する。このスパークプラグ１００は、絶縁体１０と、中心電極２０と、接地電極３０と、端子金具４０と、主体金具５０とを備えている。絶縁体１０は、軸線Ｏに沿って延びる軸孔を有する筒状体である。なお、軸線Ｏを「中心軸」とも呼ぶ。中心電極２０は、軸線Ｏに沿って延びる棒状の電極であり、絶縁体１０の軸孔の先端から自身の先端が突出するように絶縁体１０の内側に保持されている。接地電極３０は、基端部が主体金具５０の先端部５２に固定され、先端部が中心電極２０の先端面に対向する電極である。中心電極２０の先端には貴金属チップ２２が設けられており、接地電極３０の先端部の内面にも貴金属チップ３２が設けられている。但し、これらの貴金属チップ２２，３２は省略可能である。端子金具４０は、電力の供給を受けるための端子であり、中心電極２０に電気的に接続されている。主体金具５０は、絶縁体１０の周囲を覆う筒状の部材であり、絶縁体１０を収容している。主体金具５０の外周には、ねじ成されている。ねじ部４は、ねじ山が形成された部位であり、スパークプラグ１００をエンジンヘッドに取付ける際にエンジンヘッドのねじ孔に螺合する。

本明細書において、「中心電極２０」という語句は、貴金属チップ２２を有する中心電極と、貴金属チップ２２を有さない中心電極の両方を包含する意味で使用する。同様に、「接地電極３０」という語句も、貴金属チップ３２を有する接地電極と、貴金属チップ３２を有さない接地電極の両方を包含する意味で使用する。なお、接地電極３０に関しては、貴金属チップ３２を除いた部分を「接地電極母材３８」とも呼ぶ。図１の例では、接地電極３０は、基端部３５と、先端部３７と、それらの間に形成された曲げ部３６とを有する。基端部３５は、主体金具５０の先端部５２に接合されており、略直棒状の形状を有する。先端部３７は、スパークプラグ１００の軸線Ｏにほぼ直交する方向に延びており、略直棒状の形状を有する。曲げ部３６は、先端部３７の内面が軸線Ｏ上において中心電極２０の先端面に対向する位置に来るように整形されている。なお、接地電極３０は、断面が略矩形状の形状を有しており、外側面３９と、内面３３と、２つの側面３１ａ，３１ｂとを有している。外側面３９は、スパークプラグ１００の外側（軸線Ｏと反対側）を向く面であり、先端部３７から基端部３５にかけて延びている。内面３３は、外側面３９と反対側の面である。先端部３７の内面は、中心電極２０の先端面に対向する対向部３２ｏｐを有している。この例では、接地電極３０の先端部３７に貴金属チップ３２が設けられているので、対向部３２ｏｐは貴金属チップ３２の表面である。第１側面３１ａ及び第２側面３１ｂは、内面３３に隣接するとともに先端部３７から基端部３５にかけて延びている。

接地電極３０の側面３１ａ，３１ｂには、凹状の溝３４が設けられている。第１実施形態では、溝３４は曲げ部３６に設けられている。この溝３４は、混合気を整流して、中心電極２０と接地電極３０の間の火花ギャップに混合気を導く機能を有する。溝３４の形状の特徴については以下で詳述する。なお、図１において、溝３４には、図示の便宜上ハッチングが付されている。他の図も同様である。

図２は、スパークプラグ１００の先端部分を拡大して示す説明図である。図２（Ａ）では、２つの仮想直線Ｘ，Ｙが描かれている。第１仮想直線Ｘは、絶縁体１０の先端１２を通り軸線Ｏと垂直に交わる仮想的な直線である。第２仮想直線Ｙは、接地電極３０の対向部３２ｏｐを通り、軸線Ｏと垂直に交わる仮想的な直線である。溝３４は、これらの２つの仮想直線Ｘ，Ｙの間にある軸線Ｏの方向の範囲内において、２つの側面３１ａ，３１ｂの両方に形成されている。但し、溝３４を２つの側面３１ａ，３１ｂの一方のみに形成してもよい。

ここで、軸線Ｏの方向に沿って測った溝３４の寸法を、「溝３４の幅」と呼ぶ。接地電極３０の内面３３における溝３４の幅Ｗｉｎは、外面における溝の幅Ｗｏｕｔよりも小さい。換言すれば、溝３４は、その幅が接地電極３０の外側面３９側から内面３３側に向かって次第に狭くなる。このようなテーパー状の溝３４を接地電極３０に設けることによって、混合気を溝３４によって整流して効率よく火花ギャップＳＧに誘導でき、着火性能を向上させることができる。特に、燃焼室内のタンブル流が発生する構造を有する内燃機関にこのようなスパークプラグ１００を使用すれば、タンブル流によって増大した混合気の流速を利用しつつ、溝３４の整流作用によって混合気を更に効率良く火花ギャップＳＧに導くことができるので、着火性能の向上が顕著である。なお、接地電極３０の外面３９における溝３４の幅Ｗｏｕｔは、例えば、０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲とすることが好ましい。また、接地電極３０の内面３３における溝３４の幅Ｗｉｎは、例えば、０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲とすることが好ましい。

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ断面を示しており、これは、軸線Ｏの方向に沿って溝３４を投影した投影図に相当する。この図において、接地電極３０の中心線３０ｏに垂直な方向に沿って測った溝３４の寸法を、「溝３４の深さ」と呼ぶ。接地電極３０の内面３３における溝３４の深さＤｉｎは、外側面３９における溝の深さＤｏｕｔよりも大きい。換言すれば、溝３４は、接地電極３０の外側面３９側から内面３３側に近づくほど溝３４の深さが次第に増大するように、溝３４の底面３４ｍに傾斜角度θが付与された形状を有している。このように、溝３４の幅Ｗｏｕｔ，Ｗｉｎ（図２（Ａ））をテーパー状とするだけでなく、溝３４の深さＤｏｕｔ，Ｄｉｎに関してもテーパー状の形状とすれば、溝３４による混合気の整流効果が増大し、着火性能を更に向上できる。なお、接地電極３０の外側面３９における溝３４の深さＤｏｕｔは、例えば、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下とすることが好ましい。また、溝３４の底面３４ｍの傾斜角度θは、例えば、８°以上１２°以下の範囲とすることが好ましい。

図２（Ｃ）は、図２（Ａ）と同じ形状を示しており、溝３４の他の形状的な特徴として、第３仮想直線Ｌａｂが描かれている。この第３仮想直線Ｌａｂは、接地電極３０の外側面３９における溝３４の幅の中心３４ｏと、接地電極３０の内面３３における溝３４の幅の中心３４ｉとを結ぶ仮想的な直線である。すなわち、この第３仮想直線Ｌａｂは、溝３４の幅の中心線に相当する。溝３４は、この第３仮想直線Ｌａｂが、中心電極２０の先端面と接地電極３０の対向部３２ｏｐとの間の軸線Ｏの方向の範囲（すなわち、火花ギャップＳＧの範囲）を通過するように形成されている。こうすれば、溝３４による混合気の整流効果が更に増大するので、着火性能を更に向上できる。

第３仮想直線Ｌａｂは、図２（Ｂ）においても火花ギャップＳＧの範囲を通過するように形成されていることが好ましい。なお、図２（Ｂ）における火花ギャップＳＧの範囲は、軸線Ｏの方向に沿って中心電極２０の先端面（ここでは貴金属チップ２２の下面）と接地電極３０の対向部３２ｏｐとを投影した投影図上において、中心電極２０の先端面と接地電極３０の対向部３２ｏｐとが重なる範囲を意味する。溝３４をこのように整形すれば、溝３４による混合気の整流効果が増大し、着火性能を更に向上できる。

なお、溝３４は、図２で説明した上述の各種の形状的な特徴をすべて備えている必要はなく、そのうちの一部のみを備えていても良い。

図３は、第２実施形態のスパークプラグ１００ａの先端部分を拡大して示す説明図である。このスパークプラグ１００ａは、接地電極３０の側面３１ａ，３１ｂに、それぞれ２つの溝３４ａ，３４ｂが形成されている点が第１実施形態と異なる。これらの溝３４ａ，３４ｂも、図２で説明した各種の形状的な特徴を備えていることが好ましい。なお、接地電極３０の１つの側面に設けられる溝３４の数は、１又は２に限らず、３つ以上としても良い。接地電極３０の１つの側面に複数の溝３４が設けられている場合には、そのうちの少なくとも１つの溝３４が、図２で説明した各種の形状的な特徴のうちの少なくとも１つを備えていることが好ましい。

図４は、比較例のスパークプラグ１００ｃの先端部分を拡大して示す説明図である。このスパークプラグ１００ｃは、接地電極３０の側面３１ａ，３１ｂに設けられた溝３４ｃがテーパー状ではなく、溝３４ｃの幅がほぼ一定である点が第１実施形態と異なる。この比較例と実施形態との効果の差は以下の通りである。

表１は、各種のサンプルについての着火性能の実験結果を示す表である。ここでは、接地電極３０の溝３４の形状として、以下の４つの項目を示している。
（１）平行溝／テーパー溝：溝３４の幅が平行（図４）とテーパー状（図２）のいずれであるか
（２）片側／両側：溝３４が接地電極３０の側面３１ａ，３１ｂの一方のみに設けられているか、両方に設けられているか
（３）断面傾斜有無：溝３４の断面（図２（Ｂ））において、溝３４の底面３４ｍに傾斜があるか否か
（４）中心線方向：溝３４の幅の中心線（第３仮想直線Ｌａｂ）が、火花ギャップＳＧの軸線Ｏの方向の範囲を通過するか否か（図２（Ｃ））

サンプルＳ０１は、図４に示した比較例のサンプルであり、接地電極３０の側面３１ａ，３１ｂの一方にのみ、１つの平行溝が形成されている。サンプルＳ１１〜Ｓ１４は実施例のサンプルである。このうち、最後のサンプルＳ１４は、図２に示した溝３４のすべての特徴を有している。サンプルＳ１４の寸法としては、以下を使用した。
（ａ）接地電極３０の外側面３９における溝３４の幅Ｗｏｕｔ：０．７ｍｍ
（ｂ）接地電極３０の内面３３における溝３４の幅Ｗｉｎ：０．３ｍｍ
（ｃ）接地電極３０の外側面３９における溝３４の深さＤｏｕｔ：０．２ｍｍ
（ｄ）溝３４の底面の傾斜角度θ：１０°

サンプルＳ１３は、第３仮想直線Ｌａｂが、火花ギャップＳＧの範囲外を通過している点がサンプルＳ１４と異なり、他の特徴はサンプルＳ１４と同じである。サンプルＳ１２は、サンプルＳ１３から更に、溝３４の底面３４ｍの傾斜を無くして、溝３４の深さを一定としたものである。サンプルＳ１１は、サンプルＳ１２から更に、溝３４を接地電極３０の側面３１ａ，３１ｂの一方のみにしたものである。

これらのサンプルＳ０１，Ｓ１１〜Ｓ１４を用いて、着火性能試験を行った。この着火性能試験の試験条件は、以下の通りである。
（ａ）エンジンの緒元：直列４気筒、排気量１．５Ｌ、ＤＯＨＣ、自然吸気、吸気ポート改良（タンブルが発生するように構成）
（ｂ）エンジンの運転条件：回転数１６００ｒｐｍ，ＮＭＥＰ（図示平均有効圧）３４０ｋＰａにおいて、燃料噴射量を調整し、燃焼室内の空燃比Ａ／Ｆをリーン化した。

この試験条件において１０００サイクルにおけるＮＭＥＰの変動を測定した。一般に、着火が安定している場合にはＮＭＥＰ変動せず、ＮＭＥＰが大きいことは着火が不安定であることを意味する。そこで、１０００サイクルにおけるＮＭＥＰの変動が５％となる空燃比Ａ／Ｆをリーン限界値と判断して着火性能を評価した。表１の右端欄に示す着火性能は、サンプルＳ０１におけるリーン限界値を基準とし、他のサンプルＳ１１〜Ｓ１４のリーン限界値との差に応じて以下のように評価した性能である。
★：基準に対してリーン限界値が０〜＋０．２５向上。
★★：基準に対してリーン限界値が＋０．２６〜＋０．５０向上。
★★★：基準に対してリーン限界値が＋０．５１〜＋０．７５向上。
★★★★：基準に対してリーン限界値が＋０．７６〜＋１．００向上。

表１に示すように、図２で説明した溝３４の形状的特徴をすべて有するサンプルＳ１４で、最も良好な着火性能が得られた。また、実施例としての他のサンプルＳ１１〜Ｓ１３は、サンプルＳ１４よりも着火性能はやや劣るものの、比較例としてのサンプルＳ０１に比べて良好な着火性能が得られた。従って、表１に示した接地電極３０の溝形状の４つの項目は、すべて着火性能を向上させる効果を有することが確認できた。

・変形例
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

・変形例１：
スパークプラグとしては、図１に示したもの以外の種々の構成を有するスパークプラグを本発明に適用することが可能である。特に、端子金具や絶縁体の具体的な形状については、様々な変形が可能である。

１０…絶縁体
１２…絶縁体の先端
２０…中心電極
２２…中心電極の貴金属チップ
３０…接地電極
３Ｏｏ…接地電極の中心線
３１ａ…接地電極の第１側面
３１ｂ…接地電極の第２側面
３２…接地電極の貴金属チップ
３２ｏｐ…対向部
３３…接地電極の内面
３４…溝
３４ｉ…溝の内面側の幅の中心
３４ｍ…溝の底面
３４ｏ…溝の外面側の幅の中心
３５…基端部
３６…曲げ部
３７…先端部
３８…接地電極母材
３９…接地電極の外側面
４０…端子金具
５０…主体金具
５２…主体金具の先端部
５４…主体金具のねじ部
１００…スパークプラグ
Ｏ…軸線
Ｘ…第１仮想直線
Ｙ…第２仮想直線
ＳＧ…火花ギャップ
Ｌａｂ…第３仮想直線

Claims

軸線の方向に延びる軸孔を有する筒状の絶縁体と、前記軸孔の先端から自身の先端が突出するように前記絶縁体の内側に保持された中心電極と、前記絶縁体を収容する主体金具と、基端部が前記主体金具の先端部に接合され、先端部が前記中心電極の先端面に対向する接地電極と、を有するスパークプラグにおいて、
前記接地電極は、前記中心電極の先端面に対向する対向部を有する内面と、前記内面に隣接するとともに前記先端部から前記基端部にかけて延びる第１側面及び第２側面と、前記内面の反対側の面であって前記先端部から前記基端部にかけて延びる外側面と、を備え、
前記絶縁体の先端を通り前記軸線と垂直に交わる第１仮想直線と、前記接地電極の前記対向部を通り前記軸線と垂直に交わる第２仮想直線と、の間にある前記軸線の方向の範囲内において、前記第１側面と前記第２側面の少なくとも一方に前記接地電極の外側面側から内面側に向かって延びる凹状の溝が形成されており、
前記溝は、前記軸線の方向に沿って測った前記溝の幅が前記接地電極の外側面側から内面側に向かって次第に狭くなるように形成され、
前記溝は、前記接地電極の前記外側面における前記溝の第１の幅の中心と、前記接地電極の前記内面における前記溝の第２の幅の中心と、を結び前記溝の底面に沿って延びる第３仮想直線が、前記中心電極の先端面と前記接地電極の前記対向部との間の前記軸線の方向の範囲を通過するように形成され、
前記溝は、前記軸線の方向に沿って前記第３仮想直線と前記中心電極の先端面と前記接地電極の前記対向部とを投影した投影図上において、前記第３仮想直線が前記中心電極の先端面と前記接地電極の前記対向部とが重なる範囲を通過するように形成されている、
ことを特徴とするスパークプラグ。
請求項１に記載のスパークプラグにおいて、
前記溝は、前記第１側面及び前記第２側面の両方に形成されていることを特徴とするスパークプラグ。
請求項１又は２に記載のスパークプラグにおいて、
前記接地電極の前記外側面側から前記内面側に近づくほど前記溝の深さが増大することを特徴とするスパークプラグ。