JP6818077B2

JP6818077B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP6818077B2
Application number: JP2019080748A
Authority: JP
Inventors: 大希後藤; 謙治伴; 達哉後澤; 俊介津荷
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2039-04-22
Also published as: JP2020009747A

Description

本発明はスパークプラグに関する。

プレチャンバー空間を備えたスパークプラグが開発されている。例えば、特許文献１には、主燃焼室より容積が小さくシリンダーヘッド側の中心部に配置されるプレチャンバー空間と、プレチャンバー空間と主燃焼室との境界にあってガス交換が可能な噴孔と、を備えたスパークプラグが開示されている。このスパークプラグでは、プレチャンバー空間内での着火により噴孔から主燃焼室内にトーチ状の火炎を噴出させて主燃焼室内の混合気を燃焼させる。

特開２００７−４０１７４号公報

しかし、特許文献１に開示された技術では、噴出する火炎がピストンやシリンダーヘッドに当たり、熱が引かれて熱損失が発生する。その結果、エンジン効率が低下する課題があった。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、熱損失を低減させてエンジン効率を向上させることを目的とする。本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）中心電極と、
前記中心電極の先端部に対向する対向部を有し、前記対向部と前記中心電極の前記先端部との間に放電ギャップを形成する接地電極と
前記中心電極の前記先端部が自身の先端よりも露出した状態で前記中心電極を内部に収容する筒状の絶縁体と、
前記絶縁体を内部に収容する主体金具と、
前記中心電極の前記先端部と、前記接地電極の前記対向部と、を前方側から覆うカバー部と、
を備えたスパークプラグであって、
前記カバー部には、噴孔が備えられ、
前記カバー部のうち、前記噴孔よりも先端側の部分は、前記噴孔よりも後端側の部分より薄くされており、
前記スパークプラグが内燃機関に配置された際に、前記噴孔の中心軸線と、上死点に位置するピストンの上面が交わる交点Ｓと、前記ピストンの前記上面の中心Ｐとの距離Ｌが、シリンダのボア半径Ｒｂと以下の関係式（１）を満たすように、前記噴孔が構成されているスパークプラグ。
関係式（１）０．５Ｒｂ≦Ｌ≦Ｒｂ

本構成のスパークプラグでは、カバー部のうち、噴孔よりも先端側の部分は、噴孔よりも後端側の部分より薄くされている。よって、カバー部の噴孔よりも先端側の部分に熱が溜まって高温になることを抑制して、主燃焼室のプレイグニッションを防止できる。また、この構成では、カバー部の噴孔よりも後端側の部分は、先端側の部分よりも厚いから、カバー部の機械的強度も担保できる。
更に、本構成のスパークプラグでは、内燃機関に配置された際に、噴孔の中心軸線と、上死点に位置するピストンの上面が交わる交点Ｓと、ピストンの上面の中心Ｐとの距離Ｌが、シリンダのボア半径Ｒｂと上記関係式（１）を満たすように、噴孔が構成されている。このように、噴孔が構成されていると、ピストンやシリンダーヘッドに熱が引かれることに起因する熱損失が抑制される。よって、本構成のスパークプラグは、エンジン効率を高めることができる。

（２）中心電極と、
前記中心電極の先端部に対向する対向部を有し、前記対向部と前記中心電極の前記先端部との間に放電ギャップを形成する接地電極と、
前記中心電極の前記先端部が自身の先端よりも露出した状態で前記中心電極を内部に収容する筒状の絶縁体と、
前記絶縁体を内部に収容する主体金具と、
前記中心電極の前記先端部と、前記接地電極の前記対向部と、を前方側から覆うカバー部と、
を備えたスパークプラグであって、
前記カバー部には、噴孔が備えられ、
前記スパークプラグの軸線と、前記噴孔の中心軸線とがなす角度が７５°以上１２５°以下であり、
前記スパークプラグが内燃機関に配置された際に、前記噴孔の中心軸線がシリンダーヘッドの内側面と交わるように、前記噴孔が構成されているスパークプラグ。

本構成のスパークプラグでは、スパークプラグが内燃機関に配置された際に、噴孔の中心軸線がシリンダーヘッドの内側面と交わるように、噴孔が構成されている。このように、噴孔が構成されていると、ピストンやシリンダーヘッドの天面に熱が引かれることに起因する熱損失が抑制される。よって、本構成のスパークプラグは、エンジン効率を高めることができる。

第１実施形態におけるスパークプラグの構成を示す断面図である。第１実施形態におけるスパークプラグの一部拡大断面図である。第１実施形態におけるスパークプラグが内燃機関に配置された状態を示す断面図である。第２実施形態におけるスパークプラグの構成を示す断面図である。第２実施形態におけるスパークプラグの一部拡大断面図である。第２実施形態におけるスパークプラグが内燃機関に配置された状態を示す断面図である。実験例２におけるスパークプラグが内燃機関に配置された状態を示す断面図である。実験例４におけるスパークプラグが内燃機関に配置された状態を示す断面図である。他の実施形態におけるスパークプラグの一部拡大断面図である。

＜第１実施形態＞
以下、スパークプラグ１００の第１実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明では、図１の下方側をスパークプラグ１００の先端側（前方側）と呼び、図１の上方側を後端側とする。
図１は、第１実施形態におけるスパークプラグ１００の概略構成を示す断面図である。

図１では、スパークプラグ１００の中心軸線ＣＸ（スパークプラグの軸線）が一点鎖線で図示されている。また、図３には、スパークプラグ１００が内燃機関に取り付けられたときのシリンダーヘッドの天面１７３（天井を構成する内面）が二点鎖線によって図示されている。

スパークプラグ１００は、内燃機関に取り付けられて、その点火に用いられる。内燃機関に取り付けられたときには、スパークプラグ１００の先端側（紙面下側）は内燃機関の燃焼室内に配置され、後端側（紙面上側）は燃焼室の外部に配置される。スパークプラグ１００は、中心電極１０と、接地電極１３と、絶縁体２０と、端子電極３０と、主体金具４０と、を備える。

中心電極１０は、軸状の電極部材によって構成され、その中心軸がスパークプラグ１００の中心軸線ＣＸと一致するように配置されている。中心電極１０は、その先端部１１が、主体金具４０の先端側開口部４０Ａから露出するように、絶縁体２０を介して主体金具４０に保持されている。中心電極１０は、後端側に配置されている端子電極３０を介して外部電源に電気的に接続される。

接地電極１３は、中心電極１０の先端部１１に向かって延伸している棒状の電極である。接地電極１３は、主体金具４０の先端側開口部４０Ａの周縁部から先端側へ向かって延び、途中で屈曲している。そして、接地電極１３は、中心電極１０の先端部１１の前方まで延びている。接地電極１３は、中心電極１０の先端部１１に対向する対向部１３Ａを有している。接地電極１３の対向部１３Ａと、中心電極１０の先端部１１との間に放電ギャップＳＧが形成されている。

絶縁体２０は、中心を貫通する軸孔２１を有する筒状部材である。絶縁体２０は、例えば、アルミナや、窒化アルミニウム等のセラミック焼結体によって構成される。絶縁体２０の軸孔２１の先端側には、中心電極１０が、その先端部１１が露出した状態で収容されている。軸孔２１の後端側には軸状の電極部材である端子電極３０が保持されている。端子電極３０の後端部３１は、外部電源と接続可能なように、絶縁体２０の後端開口部２２から延出している。中心電極１０と端子電極３０とは、火花放電発生時における電波雑音の発生を抑制するために、ガラスシール材に挟まれた抵抗体３５を介して電気的に接続されている。絶縁体２０の中心軸は、スパークプラグ１００の中心軸線ＣＸと一致している。

主体金具４０は、中心に筒孔４１を有する略円筒状の金属部材である。主体金具４０は、例えば、炭素鋼によって構成される。主体金具４０の中心軸はスパークプラグ１００の中心軸線ＣＸと一致する。主体金具４０の先端側開口部４０Ａには、上述したように、接地電極１３が取り付けられている。

スパークプラグ１００は、カバー部５０を備えている。カバー部５０は、ドーム状に形成されている。カバー部５０の後端には、筒状の胴部５３が備えられている。カバー部５０は、中心電極１０の先端部１１、及び接地電極１３の対向部１３Ａを前方側から覆っている。カバー部５０によって囲まれた空間が、プレチャンバー空間６３とされている。胴部５３は、主体金具４０の後端部４０Ｂ以外の部分を囲んでいる。本実施形態では、カバー部５０と胴部５３とは一体とされているが、別体であってもよい。

図２に示すように、カバー部５０には、その頂部５１Ａよりも後端側に複数の噴孔６１が形成されている。噴孔６１は、例えば、４〜８個形成されている。噴孔６１はいずれも略円柱形の貫通孔である。複数の噴孔６１は、スパークプラグ１００の中心軸線ＣＸを中心とする仮想円周上に位置している。複数の噴孔６１は、上記仮想円周上において等間隔に配列している。
カバー部５０に覆われた空間であるプレチャンバー空間６３（着火室）は、噴孔６１を介して燃焼室と連通する。
カバー部５０のうち、噴孔６１よりも先端側の部分５０Ａは、噴孔６１よりも後端側の部分５０Ｂより薄くされている。
例えば、スパークプラグ１００の中心軸線ＣＸ、及び噴孔６１の中心軸線ＨＸを通る平面でカバー部５０を切断した断面図（図２）において、断面図において顕れる噴孔６１の輪郭線の長さを測定し、後端側の輪郭線の長さＬ１と先端側の輪郭線の長さＬ２との差が、０．１ｍｍ以上であればよい。言い換えれば、後端側の輪郭線の長さＬ１に比べて、先端側の輪郭線の長さＬ２が例えば０．１ｍｍ以上短くなっていればよい。
先端側の部分５０Ａの厚みは、特に限定されない。先端側の部分５０Ａの厚みは、例えば、０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とされていることが好ましい。後端側の部分５０Ｂの厚みは、特に限定されない。後端側の部分５０Ｂの厚みは、例えば、０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とされていることが好ましい。
本実施形態では、頂部５１Ａに近いほどカバー部５０の厚みが徐々に小さくなっている。

本実施形態では、図３に示すように、噴孔６１が構成されている。スパークプラグ１００を内燃機関に配置された状態とする。この際に、噴孔６１の中心軸線ＨＸと、上死点に位置するピストン６５の上面６５Ａと、が交わる点を交点Ｓとする。噴孔６１の中心軸線ＨＸは、噴孔６１から噴出する燃焼火炎の中心軸とも一致する。
交点Ｓと、ピストン６５の上面６５Ａの中心Ｐとの距離Ｌが、シリンダのボア半径Ｒｂと以下の関係式（１）を満たすように、噴孔６１が構成されている。なお、本実施形態では、全ての噴孔６１が下記関係式（１）を満たしている。

関係式（１）０．５Ｒｂ≦Ｌ≦Ｒｂ

すなわち、図３において、交点Ｓが、範囲Ｅ内に位置するようにされている。
さらに、関係式（２）を満たすことが好ましく、関係式（３）を満たすことがより好ましい。

関係式（２）０．７Ｒｂ≦Ｌ≦Ｒｂ
関係式（３）０．８Ｒｂ≦Ｌ≦Ｒｂ

次に、上記のように構成したスパークプラグ１００の作用効果について説明する。
本実施形態のスパークプラグ１００では、カバー部５０のうち、噴孔６１よりも先端側の部分５０Ａは、噴孔６１よりも後端側の部分５０Ｂよりも薄くされている。よって、カバー部５０の噴孔６１よりも先端側の部分５０Ａに熱が溜まって高温になることを抑制して、主燃焼室のプレイグニッションを防止できる。また、この構成では、カバー部５０の噴孔６１よりも後端側の部分５０Ｂは、先端側の部分５０Ａよりも厚いから、カバー部５０の機械的強度も担保できる。
更に、本構成のスパークプラグ１００は、次のように構成されている。スパークプラグ１００が内燃機関に配置された際に、噴孔６１の中心軸線ＨＸと、上死点に位置するピストン６５の上面６５Ａが交わる交点Ｓを考える。この交点Ｓと、ピストン６５の上面６５Ａの中心Ｐとの距離Ｌが、シリンダのボア半径Ｒｂと上記関係式（１）を満たすように、噴孔６１が構成されている。このように、噴孔６１が構成されていると、ピストン６５やシリンダーヘッドに熱が引かれることに起因する熱損失が抑制される。よって、本構成のスパークプラグ１００は、エンジン効率を高めることができる。
つまり、交点Ｓが、図３の範囲Ｅよりも中心Ｐに近くなると、ピストン６５に燃焼ガスが当たる時間が長くなる。その結果、ピストン６５に熱が引かれて熱損失が大きくなり、エンジン効率が低下する。
また、交点Ｓが、図３の範囲Ｅよりも外側になると、シリンダーヘッドに熱が引かれて熱損失が大きくなり、その結果、エンジン効率が低下する。
本実施形態のスパークプラグ１００は、交点Ｓが、図３の範囲Ｅ内であるから、ピストン６５やシリンダーヘッドに熱が引かれることに起因する熱損失が抑制される。よって、本構成のスパークプラグ１００は、エンジン効率を高めることができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係るスパークプラグ２００について、図４〜６を参照しつつ説明する。第２実施形態のスパークプラグ２００では、カバー部１５０の構成が第１実施形態に係るスパークプラグ１００と異なる。その他の構成については、第１実施形態に係るスパークプラグ１００と略同一であり、略同じ構成部位には同符号を付けて、構造、作用、及び効果の説明は省略する。
カバー部１５０は、有底円筒状である。カバー部１５０の後端には、筒状の胴部１５３が備えられている。カバー部１５０は、中心電極１０の先端部１１、及び接地電極１３の対向部１３Ａを前方側から覆っている。また、胴部１５３は、主体金具４０の後端部４０Ｂ以外の部分を囲んでいる。

図５に示すように、カバー部１５０の先端には、複数の噴孔１６１が形成されている。噴孔１６１は、例えば、４〜８個形成されている。噴孔１６１はいずれも略円柱形の貫通孔である。複数の噴孔１６１は、カバー部１５０の先端面１５７よりも後端側で、先端面１５７からの距離が略一定の仮想円周上に位置している。複数の噴孔１６１は、上記仮想円周上において等間隔に配列している。

本実施形態では、図６に示すように、スパークプラグ２００の中心軸線ＣＸと、噴孔１６１の中心軸線ＨＸとがなす角度θ（中心軸線ＣＸに対する噴孔角度）が７５°以上１２５°以下である。そして、スパークプラグ２００が内燃機関に配置された際に、噴孔１６１の中心軸線ＨＸがシリンダーヘッドの内側面１７１と交わるように、噴孔１６１が構成されている。中心軸線ＨＸがシリンダーヘッドの内側面１７１と交わるとは、次の事項と同義である。すなわち、これは、図６で示すように、中心軸線ＨＸとシリンダーヘッドの交点Ｔのシリンダーヘッドの下面１７５からの高さｈが、内側面１７１の全高Ｈよりも、小さいことと同義である。この要件を満たさない場合は、図８に示されており、中心軸線ＨＸがシリンダーヘッドの内側面１７１に交わらずに、天面１７３と交わっている。図８の場合には、高さｈが、全高Ｈよりも大きくなっている。
なお、内側面１７１の全高Ｈは、後述の表１，２におけるシリンダーヘッドの内側面高さＨに相当し、例えば、実験例１〜４では、５ｍｍとされている。
上記角度θは、７５°以上１１０°以下であることが好ましく、７５°以上１００°以下であることがより好ましい。なお、この角度θは、図６，８のいずれの場合も９０°とされている。

次に、上記のように構成したスパークプラグ２００の作用効果について説明する。
本構成のスパークプラグ２００では、スパークプラグ２００が内燃機関に配置された際に、噴孔１６１の中心軸線ＨＸがシリンダーヘッドの内側面１７１と交わるように、噴孔１６１が構成されている。このように、噴孔１６１が構成されていると、ピストン６５やシリンダーヘッドに熱が引かれることに起因する熱損失が抑制される。よって、本構成のスパークプラグ２００は、エンジン効率を高めることができる。
つまり、本構成の要件を満たさない場合には、次の（１）（２）のいずれかとなり、エンジン効率が低下する。
（１）ピストン６５に燃焼ガスが当たる時間が長くなる。その結果、ピストン６５に熱が引かれて熱損失が大きくなり、エンジン効率が低下する。
（２）シリンダーヘッドの天面１７３（天井を構成する内面）に熱が引かれて熱損失が大きくなり、その結果、エンジン効率が低下する。
本実施形態のスパークプラグ２００は、これら（１）（２）のいずれの現象も解消され、ピストン６５やシリンダーヘッドの天面１７３に熱が引かれることに起因する熱損失が抑制される。よって、本構成のスパークプラグ２００は、エンジン効率を高めることができる。

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。

１．実験１（第１実施形態に対応する実験）
（１）実験方法
（１．１）実験例１（実施例）
図３に示されるスパークプラグ１００を用いた。詳細な条件は、下記の表１に記載した。このスパークプラグ１００は、第１実施形態の要件を満たしている。
（１．２）実験例２（比較例）
図７に示されるスパークプラグ１００を用いた。詳細な条件は、下記の表１に記載した。このスパークプラグ１００は、第１実施形態の要件を満たしていない。

（２）評価方法
直列４気筒、排気量１．６Ｌ、過給式のエンジン筒内に圧力センサを取り付け、下記条件下で燃焼圧力を測定し、質量燃焼割合（ＭＦＢ）を算出する。この質量燃焼割合が１０％から７０％になるまでに必要とされるクランク角の回転角度をＭＦＢ１０−７０％と定義して評価指標とした。このＭＦＢ１０−７０％は小さい値であるほど、筒内の燃焼速度が速いことを意味し、エンジン効率が向上する。

＜条件＞
最高吸気圧：１４００ｋＰａ
最高回転数：４０００ｒｐｍ
空燃比Ａ／Ｆ：ストイキ

＜評価＞
評価は以下の通りとした。
○：ＭＦＢ１０−７０％がカバー部を有さない基準プラグよりも小さい値を示す。
×：ＭＦＢ１０−７０％が基準プラグよりも大きい値を示す。

（３）実験結果
実施例１は、実験例２に比べてエンジン効率が高いことが確認された。

２．実験２（第２実施形態に対応する実験）
（１）実験方法
（１．１）実験例３（実施例）
図６に示されるスパークプラグ２００を用いた。詳細な条件は、下記の表２に記載した。このスパークプラグ１００は、第２実施形態の要件を満たしている。
（１．２）実験例４（比較例）
図８に示されるスパークプラグ２００を用いた。詳細な条件は、下記の表２に記載した。このスパークプラグ２００は、第２実施形態の要件を満たしていない。

（２）評価方法
評価方法は、上記「１．実験１（第１実施形態に対応する実験）」の欄の「（２）評価方法」と同様にした。

（３）実験結果
実施例３は、実験例４に比べてエンジン効率が高いことが確認された。

＜他の実施形態（変形例）＞
なお、この発明は上記の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。

（１）上記実施形態では、カバー部５０，１５０の形状は、特定形状としたが、その形状は適宜変更することができる。カバー部５０，１５０の形状は、例えば、四角の箱状、円錐、三角錐、四角錐等とすることができる。
（２）上記実施形態では、特定数の噴孔６１，１６１を備えたスパークプラグ１００，２００を例示したが、噴孔６１，１６１の数は、特に限定されず、適宜変更できる。
（３）上記実施形態のスパークプラグ１００，２００では、胴部５３，１５３が、備えられている例を示した。スパークプラグ１００，２００は、この形態に限定されず、図９に示すように、胴部５３，１５３を設けずに、カバー部５２が主体金具４２の前端に取り付けられた形態であってもよい。この形態では、カバー部５２の側壁から接地電極１３の対向部１４Ａが内側に突出している。なお、図９では、第１実施形態に係るスパークプラグ１００と、略同じ構成部位には同符号を付けている。
（４）上記第１実施形態では、全ての噴孔６１が上記関係式（１）〜（３）のいずれかを満たしている例を挙げて説明した。本発明においては、少なくとも１つの噴孔６１が上記関係式（１）〜（３）のいずれかを満たしていればよい。
（５）上記第２実施形態では、全ての噴孔１６１が、〔１〕中心軸線ＣＸに対する噴孔角度に関する要件、及び〔２〕噴孔１６１の中心軸線ＨＸがシリンダーヘッドの内側面１７１と交わるという要件、のいずれも満たしている例を挙げて説明した。本発明においては、少なくとも１つの噴孔１６１が、これらの要件を満たしていればよい。

１０ …中心電極
１１ …先端部
１３ …接地電極
１３Ａ…対向部
１４Ａ…対向部
２０ …絶縁体
２１ …軸孔
２２ …後端開口部
３０ …端子電極
３１ …後端部
３５ …抵抗体
４０ …主体金具
４０Ａ…先端側開口部
４０Ｂ…後端部
４１ …筒孔
４２ …主体金具
５０ …カバー部
５０Ａ…先端側の部分
５０Ｂ…後端側の部分
５１Ａ…頂部
５２ …カバー部
５３ …胴部
６１ …噴孔
６３ …プレチャンバー空間
６５ …ピストン
６５Ａ…上面
１００…スパークプラグ
１５０…カバー部
１５３…胴部
１５７…先端面
１６１…噴孔
１７１…内側面
１７３…天面
１７５…下面
２００…スパークプラグ
ＣＸ …中心軸線（スパークプラグの軸線）
ＨＸ …中心軸線
Ｐ …中心
Ｒｂ …ボア半径
Ｓ …交点
ＳＧ …放電ギャップ
Ｔ …交点
Ｌ１ …噴口の後端側の輪郭線の長さ
Ｌ２ …噴口の先端側の輪郭線の長さ

Claims

中心電極と、
前記中心電極の先端部に対向する対向部を有し、前記対向部と前記中心電極の前記先端部との間に放電ギャップを形成する接地電極と、
前記中心電極の前記先端部が自身の先端よりも露出した状態で前記中心電極を内部に収容する筒状の絶縁体と、
前記絶縁体を内部に収容する主体金具と、
前記中心電極の前記先端部と、前記接地電極の前記対向部と、を前方側から覆うカバー部と、
を備えたスパークプラグであって、
前記カバー部には、噴孔が備えられ、
前記カバー部のうち、前記噴孔よりも先端側の部分は、前記噴孔よりも後端側の部分より薄くされており、
前記スパークプラグが内燃機関に配置された際に、前記噴孔の中心軸線と、上死点に位置するピストンの上面が交わる交点Ｓと、前記ピストンの前記上面の中心Ｐとの距離Ｌが、シリンダのボア半径Ｒｂと以下の関係式（１）を満たすように、前記噴孔が構成されているスパークプラグ。
関係式（１）０．５Ｒｂ≦Ｌ≦Ｒｂ