JP6726492B2 - 内燃機関用のスパークプラグ及びこれを備えた点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、中心電極に高周波電圧を印加することによって、接地電極と中心電極との間に放電を生じさせる、内燃機関用のスパークプラグ及びこれを備えた点火装置に関する。

内燃機関用のスパークプラグとして、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、絶縁碍子の内側に保持されるとともに、絶縁碍子の先端よりも先端側へ突出した中心電極と、中心電極との間に放電ギャップを形成する接地電極と、を有するものがある。

かかるスパークプラグにおいては、例えば低温始動時等のように内燃機関内の燃焼温度が低い場合、絶縁碍子の表面にカーボン等が堆積する、いわゆるくすぶり現象が生じることがある。くすぶり現象が生じると、電極間の絶縁が不良となって正常な火花放電が得られないおそれがある。

そこで、特許文献１に開示されているように、いわゆる沿面火花放電型のスパークプラグがある。沿面火花放電型のスパークプラグは、絶縁碍子の表面を這うような沿面火花放電を、中心電極と接地電極との間に生じさせる。それゆえ、沿面火花放電型のスパークプラグにおいては、絶縁碍子の表面に付着したカーボン等を放電火花によって焼き切ることができる。そのため、絶縁碍子の表面にカーボンが堆積して、くすぶり現象が発生することを防止できる。

しかしながら、沿面放電型のスパークプラグでは、上述のごとく、絶縁碍子の表面を這うような沿面火花放電が繰り返し発生するため、絶縁碍子の表面が溝状に削られるいわゆるチャネリングが生じやすくなる。

そこで、絶縁碍子にチャネリングが生じることを防ぐべく、特許文献１に記載のスパークプラグは、中心電極がＣｒを含有している。これにより、放電によって発生したイオンが中心電極に衝突し、中心電極に含まれるＣｒが飛散する。そして、絶縁碍子の表面に、飛散したＣｒの酸化膜が形成される。特許文献１に記載のスパークプラグは、この酸化膜によって、絶縁碍子をチャネリングから保護しようとしている。

特開２０１０−２１２２４５号公報

しかしながら、上記スパークプラグにおいては、沿面火花放電によるＣｒの飛散量が少なく、チャネリングから保護できる程度のＣｒの酸化膜が絶縁碍子の表面に形成されないおそれがある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、絶縁碍子のチャネリングを抑制することができる内燃機関用のスパークプラグ及びこれを備えた点火装置を提供しようとするものである。

本発明の第一の態様は、筒状のハウジング（２）と、
該ハウジングの内側に保持された筒状の絶縁碍子（３）と、
該絶縁碍子の内側に保持されると共に、該絶縁碍子の先端よりも先端側へ突出した中心電極（４）と、
上記ハウジングの先端に設けられた接地電極（２１）と、を備え、
上記中心電極に高周波電圧を印加することによって、該中心電極と上記接地電極との間に放電を生じさせるよう構成された、内燃機関用のスパークプラグ（１）であって、
上記中心電極は、電極母材（４１）と、該電極母材の先端側に配されたチップ（４２）と、を有し、
該チップは、Ｃｒを含有し、
上記電極母材と上記チップとの接合部（５）は、上記絶縁碍子の先端面（３１）よりも基端側に収まっている、内燃機関用のスパークプラグ（１）にある。
本発明の第二の態様は、筒状のハウジング（２）と、
該ハウジングの内側に保持された筒状の絶縁碍子（３）と、
該絶縁碍子の内側に保持されると共に、該絶縁碍子の先端よりも先端側へ突出した中心電極（４）と、
上記ハウジングの先端に設けられた接地電極（２１）と、を備え、
上記中心電極に高周波電圧を印加することによって、該中心電極と上記接地電極との間に放電を生じさせるよう構成された、内燃機関用のスパークプラグ（１）であって、
上記中心電極は、電極母材（４１）と、該電極母材の先端側に配されたチップ（４２）と、を有し、
該チップは、Ｃｒを含有し、
上記接地電極は、上記絶縁碍子の外周に沿って筒状に形成されており、
上記絶縁碍子は、上記接地電極の先端よりも先端側へ突出している、内燃機関用のスパークプラグ（１）にある。

本発明の第三の態様は、上記内燃機関用のスパークプラグと、該スパークプラグの上記中心電極に高周波電圧を印加する高周波電源部（６）と、を有する内燃機関用の点火装置（１０）にある。

上記第一の態様及び第二の態様の内燃機関用のスパークプラグにおいて、チップは、Ｃｒを含有する。そして、スパークプラグは、中心電極に高周波電圧を印加することによって、中心電極と接地電極との間に放電を生じさせるよう構成されている。それゆえ、放電によって中心電極と接地電極との間の領域に発生したイオンは、高周波で振動する。そのため、上記イオンは多数回チップに衝突することとなる。それゆえ、中心電極からのＣｒの飛散量を増やすことができる。これにより、上記スパークプラグは、絶縁碍子の表面にＣｒの酸化膜が形成されやすい。

さらに、中心電極と接地電極との間に高周波電圧が印加されることにより、絶縁碍子の表面に形成されたＣｒの酸化膜には、高周波で振動している上記イオンが多数回衝突する。これにより、いわゆるピーニング効果によって絶縁碍子の表面に形成されたＣｒの酸化膜は一層強固な膜に形成される。その結果、絶縁碍子の表面が、沿面放電によって削られるチャネリングを確実に防止することができる。

また、上記内燃機関用の点火装置は、上記スパークプラグと、スパークプラグの中心電極に高周波電圧を印加する高周波電源部とを有する。それゆえ、絶縁碍子のチャネリングを抑制することができる点火装置を得ることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、絶縁碍子のチャネリングを抑制することができる内燃機関用のスパークプラグ及びこれを備えた点火装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、内燃機関用のスパークプラグの正面一部断面図。 実施形態１における、内燃機関用のスパークプラグの先端部の拡大正面図。 図２の、III−III線矢視断面図。 図３の、チップ周辺の拡大図。 実施形態１における、接地電極、中心電極、絶縁碍子を先端側から見た図。 実施形態１における、内燃機関用の点火装置の断面図。 実施形態１における、ストリーマ放電が生じたスパークプラグの先端部の拡大正面図。 実施形態１における、グロー放電が生じたスパークプラグの先端部の拡大正面図。 実施形態１における、グロー放電が、燃焼室内の気流に引き伸ばされた様子を示す、スパークプラグの先端部の拡大正面図。 実施形態１における、絶縁碍子の表面にＣｒの酸化膜が形成された様子を示す模式断面図。 実験例における、耐久試験後の試料１の斜視図。 図１１において、絶縁碍子周辺を拡大した拡大図。 実験例における、耐久試験後の試料２の斜視図。

（実施形態１）
内燃機関用のスパークプラグ及びこれを備えた点火装置の実施形態につき、図１〜図１０を用いて説明する。
本実施形態の内燃機関用のスパークプラグ１は、図１に示すごとく、ハウジング２と絶縁碍子３と中心電極４と接地電極２１とを備える。ハウジング２は、筒状を呈している。絶縁碍子３は、ハウジング２の内側に保持されている。また、絶縁碍子３は、筒状を呈している。中心電極４は、絶縁碍子３の内側に保持されている。図１〜図４に示すごとく、中心電極４は、絶縁碍子３の先端よりも先端側へ突出している。図１〜図３に示すごとく、接地電極２１は、ハウジング２の先端に設けられている。

スパークプラグ１は、中心電極４に高周波電圧を印加することによって、中心電極４と接地電極２１との間に放電を生じさせるよう構成されている。図１、図２に示すごとく、中心電極４は、電極母材４１と、電極母材４１の先端側に配されたチップ４２と、を有する。チップ４２は、Ｃｒを含有する。

本実施形態のスパークプラグ１は、例えば、自動車等の車両用の内燃機関における着火手段として用いることができる。スパークプラグ１は、その軸方向の一端側において後述する高周波電源部と接続され、他端側が内燃機関の燃焼室内に配される。
以下において、スパークプラグ１の軸方向をプラグ軸方向Ｘという。また、プラグ軸方向Ｘにおいて、スパークプラグ１が燃焼室に挿入される側を先端側、その反対側を基端側という。また、スパークプラグ１の径方向をプラグ径方向という。

図１に示すごとく、ハウジング２の外周面には、内燃機関に螺合するための取付ネジ部２２が形成されている。そして、本実施形態においては、ハウジング２の一部が接地電極２１となっている。図１、図５に示すごとく、接地電極２１は、絶縁碍子３の外周に沿って筒状に形成されている。接地電極２１は、プラグ軸方向Ｘに貫通する貫通穴を有する筒状に形成されている。接地電極２１は、プラグ径方向に厚みを有し、先端側から見たときの形状が円環形状を呈している。接地電極２１は、取付ネジ部２２よりも先端側に形成されている。接地電極２１は、絶縁碍子３を外周側から囲むように形成されている。

絶縁碍子３は、アルミナからなる。図１〜図３に示すごとく、絶縁碍子３は、接地電極２１の先端よりも先端側へ突出している。絶縁碍子３の外周面と接地電極２１の内周面とは、プラグ径方向に対向している。また、図２に示すごとく、絶縁碍子３の先端面３０と外周面との間をつなぐ角部３１は、曲面状に形成されている。図２、図３に示すごとく、絶縁碍子３の一部は、中心電極４のチップ４２と接地電極２１との間に介在する位置に形成されている。

図１に示すごとく、絶縁碍子３の内側における先端部に、中心電極４が挿通保持されている。中心電極４の電極母材４１は、例えばＣｕ等の金属材料の外部にＮｉ基合金等の金属材料を配してなる。電極母材４１は、全体として略円柱形状を呈している。

図３、図４に示すごとく、電極母材４１の先端面に、チップ４２が溶接によって接合されている。電極母材４１の先端面に対するチップ４２の溶接は、例えばレーザー溶接や抵抗溶接とすることができる。チップ４２は円柱形状を有する。本実施形態において、チップ４２は、Ｉｒを主成分とするイリジウム合金からなる。本実施形態において、チップ４２は、Ｉｒ、Ｒｈ、及びＣｒを含有する。本実施形態において、チップ４２は、４重量％のＣｒを含有する。Ｃｒは、チップ４２全体に一様に含有されている。なお、これに限られず、Ｃｒを含有していれば、チップ４２は他の金属から構成されていてもよい。また、Ｃｒの含有量も、上記のものに限られない。

図３、図４に示すごとく、電極母材４１と上記チップ４２との接合部５は、絶縁碍子３の先端面３０よりも基端側に収まっている。本実施形態において、接合部５は、絶縁碍子３の先端面３０から０．２ｍｍ以上、基端側に収まっている。すなわち、接合部５の先端５０が、絶縁碍子３の先端面３０よりも、０．２ｍｍ以上、基端側に配されている。また、プラグ径方向において、接合部５と絶縁碍子３の内周面３２との間には、若干のクリアランスが形成されている。図４に示すごとく、プラグ軸方向Ｘにおける接合部５の先端５０と絶縁碍子３の先端面３０との間の長さＬ１は、プラグ径方向におけるチップ４２の外周面４２１と絶縁碍子３の内周面３２との間の長さＬ２よりも長い。

図１に示すごとく、絶縁碍子３の内側における中心電極４の基端側には、ステム１１が挿通保持されている。ステム１１は、中心電極４と導通されている。また、ステム１１は、基端部１１１が絶縁碍子３から突出している。

次に、スパークプラグ１を備えた内燃機関用の点火装置１０につき説明する。
点火装置１０は、図６に示すごとく、スパークプラグ１と高周波電源部６とを有する。高周波電源部６は、スパークプラグ１の中心電極４に高周波電圧を印加する。

高周波電源部６は、例えば、交流電圧発生器と昇圧トランスとを組み合わせたものを用いることができる。交流電圧発生器は、例えば、電界効果トランジスタを備え、入力した直流電圧を、高周波の交流電圧に変換して出力するものとすることができる。交流電圧発生器の出力電圧は、昇圧トランスに入力される。そして、昇圧トランスは、例えば、１００Ｖ程度の入力電圧を、２０ｋＶ程度にまで昇圧し、出力する。そして、昇圧トランスから出力された高周波の高電圧は、スパークプラグ１に入力される。

高周波電源部６は、スパークプラグ１のステム１１の基端部１１１に接続されている。高周波電源部６が中心電極４に印加する高周波電圧の周波数は、２００ｋＨｚ〜１ＭＨｚとすることができる。また、高周波電源部６が中心電極４に印加する高周波電圧の周波数は、３００ｋＨｚ〜９００ｋＨｚとすることが好ましい。そして、高周波電源部６が中心電極４に印加する高周波電圧の周波数は、４００ｋＨｚ〜８００ｋＨｚとすることがさらに好ましい。そして、高周波電源部６は、中心電極４に、５ｋＶ〜２５ｋＶのピークピーク値を持つ交流電圧を印加するものとすることができる。

スパークプラグ１は、取付ネジ部２２において、エンジンヘッド１０１に設けられた雌ネジ孔１０２に螺合されている。これにより、スパークプラグ１がエンジンヘッド１０１に締結固定されている。さらに、スパークプラグ１の先端部分が燃焼室１００内に配される。

次に、スパークプラグ１の中心電極４に高周波の高電圧を印加したときの、放電の様子について説明する。
高周波電源部６から中心電極４に高周波の高電圧を印加すると、図７に示すごとく、まず、接地電極２１から、絶縁碍子３の表面を這うようなストリーマ放電７１が形成される。このストリーマ放電７１は、接地電極２１側から中心電極４側に向って経時的に成長し、絶縁碍子３の表面に沿って延びる。そして、ストリーマ放電７１は、接地電極２１から中心電極４まで延びる。これにより、接地電極２１と中心電極４との間に放電経路が形成される。すると、接地電極２１と中心電極４との間のインピーダンスが低下し、図８に示すごとく、ストリーマ放電は、グロー放電７２に移行する。そして、図９に示すごとく、グロー放電７２は、燃焼室１００内の気流Ｆによって大きく引き伸ばされ、引き伸ばされている間に、混合気が着火される。

次に、図１０に示すごとく、絶縁碍子３の表面にＣｒの酸化膜８が形成される様子について説明する。
上述のグロー放電或いはストリーマ放電によって、接地電極２１と中心電極４との間の空間に、イオンが発生する。発生したイオンは、中心電極４及び接地電極２１間に印加される高周波電圧によって、高周波で振動する。そして、高周波で振動しているイオンは、チップ４２に多数回衝突する。このように、チップ４２にイオンが多数回衝突することにより、チップ４２からイオンの衝突の回数に応じた量のＣｒがはじき飛ばされる。なお、当該Ｃｒのはじき飛ばしは、主にグロー放電中に生じると考えられる。

そして、上述のごとく飛散したＣｒは、燃焼室１００内の温度に起因してただちに酸化し、絶縁碍子３の表面に付着する。これにより、絶縁碍子３の表面に、Ｃｒの酸化膜８が形成される。酸化膜８は、接地電極２１と中心電極４との間における、絶縁碍子３の表面に形成される。

そして、Ｃｒの酸化膜８にも、上述のごとく高周波で振動しているイオンが多数回衝突する。これにより、酸化膜８は、いわゆるピーニング効果により、密度が高く、より強固な被膜に形成される。なお、当該ピーニング効果は、主にストリーマ放電中に生じると考えられる。以上のように、絶縁碍子３の表面に、強固なＣｒの酸化膜８が形成される。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
内燃機関用のスパークプラグ１において、チップ４２は、Ｃｒを含有する。そして、スパークプラグ１は、中心電極４に高周波電圧を印加することによって、中心電極４と接地電極２１との間に放電を生じさせるよう構成されている。それゆえ、上述のごとく、放電によって中心電極４と接地電極２１との間の領域に発生したイオンは、多数回チップ４２に衝突することとなる。それゆえ、中心電極４からのＣｒの飛散量を増やすことができる。これにより、スパークプラグ１は、絶縁碍子３の表面にＣｒの酸化膜８が形成されやすい。

さらに、中心電極４と接地電極２１との間に高周波電圧が印加されることにより、絶縁碍子３の表面に形成されたＣｒの酸化膜８には、高周波で振動している上記イオンが多数回衝突する。これにより、いわゆるピーニング効果によって絶縁碍子３の表面に形成されたＣｒの酸化膜８は一層強固な膜に形成される。特に、イオンが酸化膜８に多数回衝突することにより、ピーニング効果が一層顕著なものとなる。その結果、絶縁碍子３の表面が、沿面放電によって削られるチャネリングを確実に防止することができる。

また、電極母材４１とチップ４２との接合部５は、絶縁碍子３の先端面３０よりも基端側に収まっている。それゆえ、接合部５を起点とした放電が生じ難い。それゆえ、接合部５が劣化しにくい。その結果、チップ４２が電極母材４１から剥がれ落ちることを防止することができる。

また、接合部５は、絶縁碍子３の先端面３０から０．２ｍｍ以上、基端側に収まっている。それゆえ、チップ４２が電極母材４１から剥がれ落ちることを、一層防止することができる。

また、プラグ軸方向Ｘにおける接合部５の先端５０と絶縁碍子３の先端面３０との間の長さＬ１は、プラグ径方向におけるチップ４２の外周面４２１と絶縁碍子３の内周面３２との間の長さＬ２よりも長い。それゆえ、絶縁碍子３の表面を這うように生じ、絶縁碍子３の先端面３０まで成長した放電が、絶縁碍子３の表面に沿って絶縁碍子３と中心電極４との間のクリアランスに入り込むことなく、中心電極４のチップ４２に移りやすい。それゆえ、絶縁碍子３の表面を這うように生じた放電が、絶縁碍子３と中心電極４との間に成長し、接合部５に移ることを抑制することができる。その結果、接合部５が放電の起点となることを一層抑制することができる。

また、接地電極２１は、絶縁碍子３の外周に沿って筒状に形成されている。また、絶縁碍子３は、接地電極２１の先端よりも先端側へ突出している。それゆえ、絶縁碍子３の一部を、接地電極２１と中心電極４との間に配する構成としやすい。それゆえ、絶縁碍子３の表面を這うような沿面放電を生じさせやすい。その結果、絶縁碍子３の表面周辺に、放電によるイオンが発生しやすく、当該イオンによる上記ピーニング効果を一層得やすくなる。

また、内燃機関用の点火装置１０は、スパークプラグ１と高周波電源部６とを有する。それゆえ、絶縁碍子３のチャネリングを抑制することができる点火装置１０を得ることができる。

以上のごとく、本実施形態によれば、絶縁碍子のチャネリングを抑制することができる内燃機関用のスパークプラグ及びこれを備えた点火装置を提供することができる。

（実験例）
本例は、図１１〜図１３に示すごとく、チップ４２にＣｒを含有することによる、チャネリング抑制効果を示す実験例である。
本例においては、互いにチップが異なる試料１、試料２を用意した。試料１は、基本構成を実施形態１と同様としているが、チップ９４２にＣｒを含有していないスパークプラグである。試料２は、実施形態１に示したスパークプラグ１であり、チップ４２にＣｒを含有したものである。そして、これらの試料を用いて、以下の耐久試験を行った。

耐久試験においては、各試料のスパークプラグを、燃焼室を模した試験装置に装着した。装置内の圧力は、０．６ＭＰａとした。そして、スパークプラグの先端部付近に、流速２０ｍ／ｓの気流が形成されるように、装置内に混合気を送りこんだ。そして、放電時間０．８ｍｓ、放電周期２０Ｈｚにて、ピークピーク値３０ｋＶ、周波数８２０ｋＨｚの高周波交流電圧をスパークプラグの中心電極に印加した。このときの推定の放電エネルギーは、１５０ｍＪである。また、耐久試験時間は、１００時間とした。

試験後のスパークプラグを、図１１〜図１３に示す。図１１は、耐久試験後の試料１のスパークプラグであり、図１２は、図１１において絶縁碍子９３周辺を拡大した拡大図であり、図１３は、耐久試験後の試料２のスパークプラグ１である。図１１、図１２から、Ｃｒを含有しないチップ９４２を有する試料１は、絶縁碍子９３の表面が溝状に削られていることが見て取れる。すなわち、試料１においては、チャネリング９９が形成されていることが目視により確認することができる。一方、図１３から、Ｃｒを含有したチップ４２を有する試料２は、絶縁碍子３の表面にチャネリングが生じていないことが分かる。すなわち、チップ４２にＣｒを含有することにより、絶縁碍子３の耐久性を向上できることが分かる。また、中心電極４に高周波電圧を印加した場合であっても、チップ４２にＣｒを含有することにより、絶縁碍子３の表面におけるチャネリングの発生を防止することができることが分かる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１ 内燃機関用のスパークプラグ
１０ 点火装置
２ ハウジング
２１ 接地電極
３ 絶縁碍子
４ 中心電極
４１ 電極母材
４２ チップ
６ 高周波電源部

Claims (7)

1. 筒状のハウジング（２）と、
   該ハウジングの内側に保持された筒状の絶縁碍子（３）と、
   該絶縁碍子の内側に保持されると共に、該絶縁碍子の先端よりも先端側へ突出した中心電極（４）と、
   上記ハウジングの先端に設けられた接地電極（２１）と、を備え、
   上記中心電極に高周波電圧を印加することによって、該中心電極と上記接地電極との間に放電を生じさせるよう構成された、内燃機関用のスパークプラグ（１）であって、
   上記中心電極は、電極母材（４１）と、該電極母材の先端側に配されたチップ（４２）と、を有し、
   該チップは、Ｃｒを含有し、
   上記電極母材と上記チップとの接合部（５）は、上記絶縁碍子の先端面（３１）よりも基端側に収まっている、内燃機関用のスパークプラグ（１）。
2. 上記接地電極は、上記絶縁碍子の外周に沿って筒状に形成されており、上記絶縁碍子は、上記接地電極の先端よりも先端側へ突出している、請求項１に記載の内燃機関用のスパークプラグ。
3. 上記接合部は、上記絶縁碍子の先端面から０．２ｍｍ以上、基端側に収まっている、請求項１又は２に記載の内燃機関用のスパークプラグ。
4. プラグ軸方向（Ｘ）における上記接合部の先端（５０）と上記絶縁碍子の先端面との間の長さ（Ｌ１）は、プラグ径方向における上記チップの外周面（４２１）と上記絶縁碍子の内周面（３２）との間の長さ（Ｌ２）よりも長い、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。
5. 筒状のハウジング（２）と、
   該ハウジングの内側に保持された筒状の絶縁碍子（３）と、
   該絶縁碍子の内側に保持されると共に、該絶縁碍子の先端よりも先端側へ突出した中心電極（４）と、
   上記ハウジングの先端に設けられた接地電極（２１）と、を備え、
   上記中心電極に高周波電圧を印加することによって、該中心電極と上記接地電極との間に放電を生じさせるよう構成された、内燃機関用のスパークプラグ（１）であって、
   上記中心電極は、電極母材（４１）と、該電極母材の先端側に配されたチップ（４２）と、を有し、
   該チップは、Ｃｒを含有し、
   上記接地電極は、上記絶縁碍子の外周に沿って筒状に形成されており、
   上記絶縁碍子は、上記接地電極の先端よりも先端側へ突出している、内燃機関用のスパークプラグ（１）。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関用のスパークプラグと、該スパークプラグの上記中心電極に高周波電圧を印加する高周波電源部（６）と、を有する内燃機関用の点火装置（１０）。
7. 上記高周波電源部が上記中心電極に印加する高周波電圧の周波数は、２００ｋＨｚ〜１ＭＨｚである、請求項６に記載の内燃機関用の点火装置。