JP6843933B2 - 点火プラグ - Google Patents

Description

本発明は、点火プラグに関するものである。

従来から、ガソリンエンジンやガスエンジン等の内燃機関に、点火プラグが用いられている。点火プラグとして、例えば、副燃焼室を有する点火プラグが提案されている（例えば、特許文献１）。この点火プラグでは、主体金具の先端部に固定されたキャップ内に副燃焼室が形成されている。キャップには、副燃焼室と外部とを連通する孔が設けられている。副燃焼室内には、キャップの孔を通じて、混合気が導入される。また、副燃焼室内に中心電極と接地電極が配置されている。中心電極と接地電極とによって形成される間隙で発生した火花は、副燃焼室内に導入された混合気に着火する。そして、火炎が、キャップの孔を通じて外部、すなわち、内燃機関の燃焼室に噴出することによって、燃焼室内の混合気が燃焼する。

特開２０１７−１０３１７９号

しかしながら、上記技術では、副燃焼室内で発生する熱損失および圧力損失の低減について十分に工夫されているとは言えなかった。このために、副燃焼室内で発生する熱損失および圧力損失が過度に大きくなり、点火プラグが十分な着火性能（例えば、燃焼の安定性）が得られない可能性があった。

本発明の主な利点は、副燃焼室を有する点火プラグの着火性能を向上することである。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。

［適用例１］軸線方向に延びる中心電極と、
前記軸線方向に延びる軸孔を有し前記軸孔の先端側に前記中心電極が配置される絶縁体と、
前記絶縁体の外周に配置され、前記絶縁体の外周面と直接または他部材を介して接触するシール部を有する筒状の主体金具と、
前記中心電極との間に間隙を形成する接地電極と、
前記主体金具の先端部に接続され、前記主体金具の先端側の開口を覆うことで、前記間隙が配置される副燃焼空間を区画するキャップと、
を備え、
前記キャップには、前記副燃焼空間と外部とを連通する少なくとも1つの貫通孔が形成される点火プラグであって、
前記絶縁体の前記軸孔の先端の開口を塞ぐ前記軸線に垂直な仮想平面を第１仮想平面とし、
前記キャップの前記貫通孔の内周面側の開口を最小面積で塞ぐ仮想平面を第２仮想平面とした場合に、
前記シール部よりも先端側において、前記キャップの内面と前記主体金具の表面と前記絶縁体の表面と前記第１仮想平面と前記第２仮想平面とで区画される仮想空間の体積をＡとし、前記接地電極と前記中心電極とのうち、前記仮想空間内に位置する部分の体積をＢとするとき、（Ｂ／Ａ）≦０．２５を満たすことを特徴とする、点火プラグ。

上記構成によれば、（Ｂ／Ａ）≦０．２５が満たされるので、仮想空間の体積Ａに対して、接地電極と中心電極とのうち、仮想空間内に位置する部分の体積Ｂが十分に小さい。この結果、仮想空間内で発生した火炎が接地電極や中心電極と接触することで発生する熱損失および圧力損失を低減できる。したがって、点火プラグの着火性能を向上することができる。

［適用例２］適用例１に記載の点火プラグであって、
（Ｂ／Ａ）≦０．１５を満たすことを特徴とする、点火プラグ。

上記構成によれば、（Ｂ／Ａ）≦０．１５が満たされるので、仮想空間の体積Ａに対して、接地電極と中心電極とのうち、仮想空間内に位置する部分の体積Ｂがさらに十分に小さい。この結果、仮想空間内で発生した火炎が接地電極や中心電極と接触することで発生する熱損失および圧力損失をさらに低減できる。したがって、点火プラグの着火性能をさらに向上することができる。

［適用例３］適用例１または２に記載の点火プラグであって、
０．００５≦（Ｂ／Ａ）を満たすことを特徴とする、点火プラグ。

上記構成によれば、０．００５≦（Ｂ／Ａ）が満たされるので、仮想空間の体積Ａに対して、接地電極と中心電極とのうち、仮想空間内に位置する部分の体積Ｂが過度に小さくならない。この結果、接地電極や中心電極の耐消耗性が過度に低下することを抑制できる。

［適用例４］適用例１〜３のいずれかに記載の点火プラグであって、
前記中心電極と前記接地電極との間の前記間隙は、０．２ｍｍ以上であることを特徴とする、点火プラグ。

間隙が小さいほど、間隙にて発生した火炎の核が小さい段階で中心電極や接地電極に接することになり、消炎作用が大きくなり、奪われるエネルギーの割合が大きくなる。このため、間隙が小さいほど火炎の成長が小さくなる。上記構成によれば、間隙が０．２ｍｍ以上であるので、間隙が０．２ｍｍ未満である場合と比較して、中心電極と接地電極とによる消炎作用を小さくすることができる。この結果、点火プラグから燃焼室内に噴射される熱量が増大して燃料の燃焼速度が向上するので、点火プラグの着火性能をさらに向上することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、点火プラグや点火プラグを用いた点火装置、その点火プラグを搭載する内燃機関等の態様で実現することができる。

本実施形態の点火プラグ１００の断面図である。 点火プラグ１００の先端近傍を軸線ＡＸに沿って先端側から後端方向ＢＤに向かって見た図である。 点火プラグ１００の先端の近傍を切断した断面ＣＦ１を示す図である。 体積Ａについて説明する図である。 体積Ｂについて説明する図である。 変形例の説明図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．点火プラグの構成：
図１は本実施形態の点火プラグ１００の断面図である。軸線ＡＸと平行な方向（図１の上下方向）を軸線方向とも呼ぶ。軸線ＡＸを中心とし、軸線ＡＸと垂直な面上の円の径方向を、単に「径方向」とも呼び、当該円の周方向を、単に「周方向」とも呼ぶ。図１における下方向を先端方向ＦＤと呼び、上方向を後端方向ＢＤとも呼ぶ。図１における下側を点火プラグ１００の先端側と呼び、図１における上側を点火プラグ１００の後端側と呼ぶ。

点火プラグ１００は、上述したように内燃機関に取り付けられ、内燃機関の燃焼室内の燃料ガスに着火するために用いられる。点火プラグ１００は、絶縁体１０と、中心電極２０と、接地電極３０と、端子電極４０と、内側主体金具５０と外側主体金具６０とからなる主体金具２と、抵抗体７０と、導電性のシール部材８０Ａ、８０Ｂと、キャップ９０と、を備える。

絶縁体１０は、軸線ＡＸに沿って延び、絶縁体１０を貫通する貫通孔である軸孔１２を有する略円筒状の部材である。絶縁体１０は、例えば、アルミナ等のセラミックスを用いて形成されている。絶縁体１０は、鍔部１９と、後端側胴部１８と、先端側胴部１７と、縮外径部１５と、脚長部１３と、を備えている。

鍔部１９は、絶縁体１０における軸線方向の略中央に位置する部分である。後端側胴部１８は、鍔部１９よりも後端側に位置し、鍔部１９の外径よりも小さな外径を有している。先端側胴部１７は、鍔部１９よりも先端側に位置し、後端側胴部１８の外径よりも小さな外径を有している。脚長部１３は、先端側胴部１７よりも先端側に位置し、先端側胴部１７の外径よりも小さな外径を有している。脚長部１３の外径は、先端側ほど縮径されている。脚長部１３の先端側の部分は、内側主体金具５０の先端面よりも先端側に突出している。縮外径部１５は、脚長部１３と先端側胴部１７との間に形成され、後端側から先端側に向かって外径が縮径した部分である。

絶縁体１０は、内周側の構成の観点でみると、後端側に位置する大内径部１２Ｌと、大内径部１２Ｌよりも先端側に位置し、大内径部１２Ｌよりも内径が小さな小内径部１２Ｓと、縮内径部１６と、を備えている。縮内径部１６は、大内径部１２Ｌと小内径部１２Ｓとの間に形成され、後端側から先端側に向かって内径が縮径した部分である。縮内径部１６の軸線方向の位置は、本実施形態では、先端側胴部１７の先端側の部分の位置である。

内側主体金具５０は、導電性の金属材料（例えば、低炭素鋼材）で形成される円筒状の金具である。内側主体金具５０には、軸線ＡＸに沿って貫通する貫通孔５９が形成されている。内側主体金具５０は、絶縁体１０の径方向の周囲（すなわち、外周）に配置されている。すなわち、内側主体金具５０の貫通孔５９内に、絶縁体１０が挿入・保持されている。絶縁体１０の先端は、内側主体金具５０の先端よりも先端側に突出している。絶縁体１０の後端は、内側主体金具５０の後端よりも後端側に突出している。

内側主体金具５０は、プラグレンチが係合する六角柱形状の工具係合部５１と、外側主体金具６０に取り付けるための雄ネジが形成された取付ネジ部５２と、工具係合部５１と取付ネジ部５２との間に形成された鍔状の座部５４と、を備えている。取付ネジ部５２の呼び径は、例えば、Ｍ８〜Ｍ１４である。

内側主体金具５０の取付ネジ部５２と座部５４との間には、金属製の環状の内側ガスケット５Ａが嵌挿されている。内側ガスケット５Ａは、外側主体金具６０の座部６４（後述）と、内側主体金具５０の座部５４と、の隙間を封止する。

内側主体金具５０は、さらに、工具係合部５１の後端側に設けられた薄肉の加締部５３と、座部５４と工具係合部５１との間に設けられた薄肉の圧縮変形部５８と、を備えている。内側主体金具５０における工具係合部５１から加締部５３に至る部位の内周面と、絶縁体１０の後端側胴部１８の外周面と、の間に形成される環状の領域には、環状の線パッキン６、７が配置されている。当該領域における２つの線パッキン６、７の間には、タルク（滑石）９の粉末が充填されている。加締部５３の後端は、径方向内側に折り曲げられて、絶縁体１０の外周面に固定されている。内側主体金具５０の圧縮変形部５８は、製造時において、絶縁体１０の外周面に固定された加締部５３が先端側に押圧されることにより、圧縮変形する。圧縮変形部５８の圧縮変形によって、線パッキン６、７およびタルク９を介し、絶縁体１０が内側主体金具５０内で先端側に向け押圧される。環状の板パッキン８を介して、内側主体金具５０の内周で取付ネジ部５２の位置に形成された段部５６（金具側段部）によって、絶縁体１０の縮外径部１５（絶縁体側段部）が押圧される。この結果、内燃機関の燃焼室内のガスが、内側主体金具５０と絶縁体１０との隙間から外部に漏れることが、板パッキン８によって防止される。

このように、段部５６のうち、板パッキン８を介して、絶縁体１０の外周面（縮外径部１５の外周面）と接触している部分をシール部ＳＰとも呼ぶ。

外側主体金具６０は、内側主体金具５０と同様の導電性の金属材料で形成された円筒状の金具である。外側主体金具６０には、軸線ＡＸに沿って貫通する貫通孔６９が形成されている。外側主体金具６０は、内側主体金具５０の座部５４よりも先端側において、内側主体金具５０の周囲（すなわち、外周）に配置されている。外側主体金具６０の内周面には、雌ネジ６６が形成されている。内側主体金具５０の取付ネジ部５２に形成された雄ネジは、雌ネジ６６と係合している。これによって、外側主体金具６０の貫通孔６９内に、内側主体金具５０の座部５４より先端側の部分が挿入・保持されている。

外側主体金具６０は、取付ネジ部６２と、取付ネジ部６２よりも後端側の座部６４と、を備えている。取付ネジ部６２の呼び径は、例えば、Ｍ１０〜Ｍ１８である。取付ネジ部６２の外周面には、内燃機関のエンジンヘッド（図示省略）に点火プラグ１００を固定するための雄ネジが形成されている。

外側主体金具６０の取付ネジ部６２と座部６４との間には、金属製の環状の外側ガスケット５Ｂが嵌挿されている。外側ガスケット５Ｂは、点火プラグ１００が内燃機関に取り付けられた際に、点火プラグ１００と内燃機関（エンジンヘッド）との隙間を封止する。

外側主体金具６０の先端部６１には、外側主体金具６０および内側主体金具５０の先端側の開口６０ｏ、５０ｏを覆うキャップ９０が形成されている。キャップ９０の構成については後述する。キャップ９０によって、後述する間隙Ｇが配置される副燃焼空間ＢＳが区画・形成されている。

キャップ９０は、耐腐食性と耐熱性が高い金属、例えば、ニッケル（Ｎｉ）またはＮｉを主成分とする合金（例えば、ＮＣＦ６００、ＮＣＦ６０１）、タングステンで形成されている。本実施形態では、外側主体金具６０がＮｉ合金で形成され、キャップ９０は、外側主体金具６０と一体に形成されている。これに代えて、キャップ９０は、外側主体金具６０とは別部材で形成され、外側主体金具６０の先端に溶接によって接合されていても良い。

中心電極２０は、軸線ＡＸに沿って延びる棒状の部材である。中心電極２０は、耐腐食性と耐熱性が高い金属、例えば、ニッケル（Ｎｉ）またはＮｉを主成分とする合金（例えば、ＮＣＦ６００、ＮＣＦ６０１）を用いて形成されている。中心電極２０は、中心電極２０は、ＮｉまたはＮｉ合金で形成された母材と、該母材の内部に埋設された芯部と、を含む２層構造を有しても良い。この場合には、芯部は、例えば、母材よりも熱伝導性に優れる銅または銅を主成分とする合金で形成される。中心電極２０は、絶縁体１０の軸孔１２の内部の先端側の部分に保持されている。すなわち、中心電極２０の後端側は、軸孔１２内に配置されている。脚部２５の先端側の面は、後述する接地電極３０の第２放電面３０Ｓとの間に間隙Ｇを形成する第１放電面２０Ｓである。

中心電極２０は、図１に示すように、軸線方向の所定の位置に設けられた鍔部２４と、鍔部２４よりも後端側の部分である頭部２３（電極頭部）と、鍔部２４よりも先端側の部分である脚部２５（電極脚部）と、を備えている。鍔部２４は、絶縁体１０の縮内径部１６によって、先端側から支持されている。すなわち、中心電極２０は、縮内径部１６に係止されている。このように、中心電極２０の後端側は、軸孔１２（小内径部１２Ｓ）内に配置されている。脚部２５の先端側は、絶縁体１０の先端よりも先端側に突出している。

端子電極４０は、軸線方向に延びる棒状の部材である。端子電極４０は、絶縁体１０の軸孔１２に後端側から挿通され、軸孔１２内において、中心電極２０よりも後端側に位置している。端子電極４０は、導電性の金属材料（例えば、低炭素鋼）で形成され、端子電極４０の表面には、例えば、防食のために、Ｎｉなどのめっきが形成されている。

端子電極４０は、軸線方向の所定位置に形成された鍔部４２（端子顎部）と、鍔部４２よりも後端側に位置するキャップ装着部４１と、鍔部４２よりも先端側の脚部４３（端子脚部）と、を備えている。端子電極４０のキャップ装着部４１は、絶縁体１０よりも後端側に露出している。端子電極４０の脚部４３は、絶縁体１０の軸孔１２に挿入されている。キャップ装着部４１には、高圧ケーブル（図示外）が接続されたプラグキャップが装着され、放電を発生するための高電圧が印加される。

抵抗体７０は、絶縁体１０の軸孔１２内において、端子電極４０の先端と中心電極２０の後端との間に、配置されている。抵抗体７０は、例えば、１ＫΩ以上の抵抗値（例えば、５ＫΩ）を有し、火花発生時の電波ノイズを低減する機能を有する。抵抗体７０は、例えば、主成分であるガラス粒子と、ガラス以外のセラミック粒子と、導電性材料と、を含む組成物で形成されている。

軸孔１２内における、抵抗体７０と中心電極２０との隙間は、導電性のシール部材８０Ａによって埋められている。抵抗体７０と端子電極４０との隙間は、シール部材８０Ｂによって埋められている。すなわち、シール部材８０Ａは、中心電極２０と抵抗体７０とにそれぞれ接触し、中心電極２０と抵抗体７０とを離間している。シール部材８０Ｂは、抵抗体７０と端子電極４０にそれぞれ接触し、抵抗体７０と端子電極４０とを離間している。このように、シール部材８０Ａ、８０Ｂは、中心電極２０と端子電極４０とを、抵抗体７０を介して、電気的、かつ、物理的に、接続している。シール部材８０Ａ、８０Ｂは、導電性を有する材料、例えば、例えば、Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系等のガラス粒子と金属粒子（Ｃｕ、Ｆｅなど）とを含む組成物で形成されている。

接地電極３０は、図１に示すように、断面が四角形の棒状体である。接地電極３０は、両端部として、接続端部３２と、接続端部３２の反対側に位置する自由端部３１と、を有している。接続端部３２は、内側主体金具５０の先端面５０ｓに、例えば、抵抗溶接によって、接合されている。これによって、主体金具２（内側主体金具５０および外側主体金具６０）と接地電極３０とは、電気的および物理的に接続される。接地電極３０の接続端部３２の近傍は、軸線ＡＸの方向に延びており、自由端部３１の近傍は、軸線ＡＸと垂直な方向に延びている。棒状の接地電極３０は、中央部分において、約９０度だけ湾曲している。

接地電極３０は、耐腐食性と耐熱性が高い金属、ＮｉまたはＮｉを主成分とする合金（例えば、ＮＣＦ６００、ＮＣＦ６０１）を用いて形成されている。接地電極３０は、中心電極２０と同様に、母材と、母材よりも熱伝導性が高い金属（例えば、銅）を用いて形成され、母材に埋設された芯部と、を含む２層構造を有しても良い。自由端部３１の後端側を向いた側面は、中心電極２０の第１放電面２０Ｓとの間に間隙Ｇを形成する第２放電面３０Ｓである。第１放電面２０Ｓと第２放電面３０Ｓとは、軸線ＡＸの方向に対向している。間隙Ｇは、放電が発生するいわゆる火花ギャップである。

図２は、点火プラグ１００の先端近傍を軸線ＡＸに沿って先端側から後端方向ＢＤに向かって見た図である。キャップ９０には、副燃焼空間ＢＳと外部とを連通する複数個（図２の例では４個）の貫通孔９５ａ〜９５ｄが形成されている。４個の貫通孔９５ａ〜９５ｄは、周方向に分散されて配置されている。図２には、４個の貫通孔９５ａ〜９５ｄの内周面側の開口９５ａｏ〜９５ｄｏ、すなわち、副燃焼空間ＢＳ側の開口９５ａｏ〜９５ｄｏと、その重心ＣＰａ〜ＣＰｄと、が図示されている。内周面側の開口９５ａｏ〜９５ｄｏを、内側開口９５ａｏ〜９５ｄｏとも呼ぶ。

ここで、図２において、軸線ＡＸを通り、接地電極３０の自由端部３１が延びる方向を第１方向Ｄ１とする。また、第１方向Ｄ１と垂直な方向（図２の上方向）を第２方向Ｄ２とする。４個の貫通孔９５ａ〜９５ｄは、第１方向Ｄ１および第２方向Ｄ２と４５度の角度を成す周方向の位置に配置されている。このために、図１には、４個の貫通孔９５ａ〜９５ｄは、現れていない。

図３は、図２に破線Ａ−Ａで示す面で、点火プラグ１００の先端の近傍を切断した断面ＣＦ１を示す図である。図２の破線Ａ−Ａで示す面は、軸線ＡＸと、貫通孔９５ａの内側開口９５ａｏの重心ＣＰａと、貫通孔９５ｂの内側開口９５ｂｏの重心ＣＰｂと、を含む面である。

図３に示すように、キャップ９０は、略半球形状の中空の部材である。このために、副燃焼空間ＢＳは、略半球形状を有している。副燃焼空間ＢＳ内には、脚長部１３の先端側の部分と、接地電極３０と、中心電極２０の先端側の部分と、が配置されている。副燃焼空間ＢＳには、間隙Ｇが配置されている。

本実施形態では、図２、図３に示すように、本実施形態では、キャップ９０において、軸線ＡＸと交差する位置には、貫通孔は形成されていない。４個の貫通孔９５ａ〜９５ｄの軸線方向の位置は、接地電極３０の自由端部３１や間隙Ｇが位置する軸線方向の位置と、概ね等しい。

ここで、図３に破線で示すように、絶縁体１０の軸孔１２の先端の開口１２ｏを塞ぐ、軸線ＡＸに垂直な仮想平面を第１仮想平面ＶＳ１とする。また、貫通孔９５ａ〜９５ｄの内側開口９５ａｏ〜９５ｄｏのそれぞれを最小面積で塞ぐ仮想平面を第２仮想平面ＶＳ２ａ〜ＶＳ２ｄとする。図２には、４個の内側開口９５ａｏ〜９５ｄｏに対応する４個の第２仮想平面ＶＳ２ａ〜ＶＳ２がハッチングで示されている。図３には、２個の内側開口９５ａｏ、９５ｂｏに対応する２個の第２仮想平面ＶＳ２ａ、ＶＳ２ｂが破線で示されている。

図４は、体積Ａについて説明する図である。図４（Ａ）には、上述した断面ＣＦ１が示されている。図５（Ｂ）には、図２に破線Ｂ−Ｂで示す面で、点火プラグ１００の先端の近傍を切断した断面ＣＦ２が示されている。図２の破線Ｂ−Ｂで示す面は、軸線ＡＸを含み、接地電極３０の自由端部３１が延びる第１方向Ｄ１と平行な面である。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示すように、シール部ＳＰよりも先端側において、キャップ９０の内面９０ｉと、主体金具２の表面（例えば、内側主体金具５０の先端面５０ｓ、内周面５０ｉ、外周面５０ｕ）と、絶縁体１０の表面（例えば、脚長部１３の先端面１３ｓ、外周面１３ｏ）と、第１仮想平面ＶＳ１と、第２仮想平面ＶＳ２ａ〜ＶＳ２ｄと、で区画される仮想空間ＶＶの体積をＡとする。仮想空間ＶＶは、副燃焼空間ＢＳとして機能する空間と考えることができる。図４（Ａ）、（Ｂ）においてハッチングされた部分が、仮想空間ＶＶである。なお、図４（Ａ）、（Ｂ）では、図を解りやすくするために、仮想空間ＶＶ（副燃焼空間ＢＳ）とは異なる部分のハッチングが省略されている。

図５は、体積Ｂについて説明する図である。図５（Ａ）には、上述した断面ＣＦ１が示され、図５（Ｂ）には、上述した断面ＣＦ２が示されている。接地電極３０と中心電極２０とのうち、上述した仮想空間ＶＶ（図４にてハッチングされた空間）内に位置する部分ＶＰの体積をＢとする。図５（Ａ）、（Ｂ）においてハッチングされた部分が、接地電極３０と中心電極２０とのうちの上述の部分ＶＰである。なお、図５（Ａ）、（Ｂ）では、図を解りやすくするために、部分ＶＰとは異なる部分のハッチングが省略されている。

本実施形態の点火プラグ１００は、以下のように動作する。点火プラグ１００は、ガスエンジンなどの内燃機関に取り付けられて使用される。所定の電源を含む点火装置（例えば、フルトランジスタ点火装置）によって、点火プラグ１００の接地電極３０と中心電極２０との間に電圧が印加される。この結果、接地電極３０と中心電極２０との間隙Ｇに、火花放電が生じる。すなわち、キャップ９０内の副燃焼空間ＢＳで火花放電が生じる。内燃機関の燃焼室内の燃料ガスが、キャップ９０の貫通孔９５ａ〜９５ｄを通って、副燃焼空間ＢＳ内に導入される。副燃焼空間ＢＳで生じた火花によって、副燃焼空間ＢＳ内の燃料ガスが点火される。点火された燃料ガスの燃焼によって生じた火炎は、キャップ９０の貫通孔９５ａ〜９５ｄを通って、外部（内燃機関の燃焼室）へと噴出される。噴出された火炎によって、内燃機関の燃焼室内の燃料ガスが点火される。この結果、特に、燃焼室の容積が比較的大きな内燃機関であっても、速やかに燃焼室内の燃料ガスの全体を燃焼させることができる。

仮想空間ＶＶ内で発生した火炎が、貫通孔９５ａ〜９５ｄから噴出する前に、仮想空間ＶＶ（副燃焼空間ＢＳ）内で、接地電極３０や中心電極２０に接触すると、接地電極３０や中心電極２０の消炎作用によって熱エネルギーが低下する。火炎の熱エネルギーが低下すると、内燃機関の燃焼室内において、燃料ガスに着火する着火性能が低下する。また、仮想空間ＶＶ内で発生した火炎が、貫通孔９５ａ〜９５ｄから噴出する前に、仮想空間ＶＶ（副燃焼空間ＢＳ）内で、接地電極３０や中心電極２０に接触すると、接地電極３０や中心電極２０との接触による圧力損失が発生して、火炎の運動エネルギーが低下する。火炎の運動エネルギーが低下すると、内燃機関の燃焼室内で火炎が拡大しにくくなるので、やはり燃料ガスに着火する着火性能が低下する。

本実施形態では、上述した仮想空間ＶＶの体積Ａと、部分ＶＰの体積Ｂとは、（Ｂ／Ａ）≦０．２５を満たす。このために、副燃焼空間ＢＳとして機能する仮想空間ＶＶの体積Ａに対して、接地電極３０と中心電極２０とのうち、仮想空間ＶＶ内に位置する部分ＶＰの体積Ｂが十分に小さい。この結果、仮想空間ＶＶ内で発生した火炎が接地電極３０や中心電極２０と接触することで発生する熱損失および圧力損失を低減できる。したがって、点火プラグ１００の着火性能を向上することができる。

本実施形態では、さらに、上述の体積Ａと体積Ｂとは、（Ｂ／Ａ）≦０．１５を満たすことが好ましい。この場合には、副燃焼空間ＢＳとして機能する仮想空間ＶＶの体積Ａに対して、接地電極３０と中心電極２０とのうち、仮想空間ＶＶ内に位置する部分ＶＰの体積Ｂがさらに十分に小さい。この結果、仮想空間ＶＶ内で発生した火炎が接地電極３０や中心電極２０と接触することで発生する熱損失および圧力損失をさらに低減できる。したがって、点火プラグ１００の着火性能をさらに向上することができる。

本実施形態において、さらに、上述の体積Ａと体積Ｂとは、０．００５≦（Ｂ／Ａ）を満たすことが好ましい。この場合には、仮想空間ＶＶの体積Ａに対して、接地電極３０と中心電極２０とのうち、仮想空間ＶＶ内に位置する部分ＶＰの体積Ｂが過度に小さくならない。この結果、接地電極３０や中心電極２０の耐消耗性が過度に低下することを抑制できる。

本実施形態において、さらに、中心電極２０と接地電極３０との間の間隙Ｇ、図３の例では、第１放電面２０Ｓと第２放電面３０Ｓとの間の距離は、０．２ｍｍ以上であることが好ましい。間隙Ｇが小さいほど、間隙Ｇにて発生した火炎の核が小さい段階で中心電極２０や接地電極３０に接することになり、消炎作用が大きくなり、奪われるエネルギーの割合が大きくなる。このため、間隙Ｇが小さいほど火炎の成長が小さくなる。間隙Ｇが０．２ｍｍ以上である場合には、間隙が０．２ｍｍ未満である場合と比較して、中心電極２０と接地電極３０とによる消炎作用を小さくすることができる。この結果、点火プラグ１００から燃焼室内に噴射される熱量が増大して燃料の燃焼速度が向上するので、点火プラグ１００の着火性能をさらに向上することができる。

Ｂ．評価試験
評価試験では、各貫通孔の孔径Ｒ１（図２）と、貫通孔の個数（孔数）と、貫通孔の配置角θ（図３）と、体積Ａ（図４）と、体積Ｂ（図５）と、間隙Ｇ（ギャップ長とも呼ぶ）と、の少なくとも１つが異なる３０種類のサンプルを準備した。配置角θについて図３の貫通孔９５ａを例に説明する。軸線ＡＸと、貫通孔９５ａの内側開口９５ａｏの重心ＣＰａと、を含む面で切断した断面ＣＦ１（図３）において、軸線ＡＸ上に位置し、第１放電面２０Ｓと第２放電面３０Ｓとから等距離にある点をギャップ中心ＧＰとする。断面ＣＦ１において、ギャップ中心ＧＰを基点として軸線ＡＸと垂直に貫通孔９５ａ側に延びる半直線を第１半直線Ｌ１とする。断面ＣＦ１において、ギャップ中心ＧＰを基点として貫通孔９５ａの内側開口９５ａｏの重心ＣＰａを通る半直線を第２半直線Ｌ２とする。貫通孔９５ａの配置角θは、第１半直線Ｌ１と第２半直線Ｌ２とがなす角度である。

孔径Ｒ１は、１ｍｍ、または、２ｍｍに設定された。孔数は、２個、４個、６個、８個のいずれかに設定された。配置角は、１５度、３０度、４５度、６０度、７５度のいずれに設定された。

体積Ａは、３５０ｍｍ^３、４５０ｍｍ^３、５５０ｍｍ^３、６５０ｍｍ^３のいずれかに設定された。体積Ａは、キャップ９０の内径と、キャップ９０の軸線方向の長さを変更することによって調整された。

体積Ｂは、１．４ｍｍ^３、２．４ｍｍ^３、３．３ｍｍ^３、４．１ｍｍ^３、７．３ｍｍ^３、１５ｍｍ^３、２３．１ｍｍ^３、３７．９ｍｍ^３、４７．５ｍｍ^３、５２．５ｍｍ^３、５４．８ｍｍ^３、６８ｍｍ^３、８７．５ｍｍ^３、８７．８ｍｍ^３、のいずれかに設定された。体積Ｂは、中心電極２０の脚部２５の外径Ｒ２（図３）、中心電極２０の脚部２５の絶縁体１０の先端からの突出長Ｈ２（図３）と、接地電極３０の自由端部３１の軸線ＡＸの長さＨ１（図３）、および、第２方向Ｄ２の長さＷ（図２）を変更することによって調整された。

間隙Ｇ（ギャップ長）は、０．７ｍｍ、０．６ｍｍ、０．５ｍｍ、０．４ｍｍ、０．３ｍｍ、０．２ｍｍ、０．１ｍｍのいずれかに設定された。

各サンプルの孔径Ｒ１、孔数、配置角θ、体積Ａ、Ｂ、間隙Ｇ（ギャップ長）は、表１に示すとおりである。表１には、体積Ａに対する体積Ｂの比率（Ｂ／Ａ）も併せて示されている。

なお、各サンプルに共通な寸法は、以下の通りである。
内側主体金具５０の内径：７．２ｍｍ

評価試験では、各サンプルについて、燃焼安定性試験と、耐消耗性試験と、燃焼速度試験と、をそれぞれ実施した。燃焼安定性試験では、各サンプルを、直列４気筒、排気量１．６Ｌ、直噴、過給器付きのガソリンエンジンに取り付けて実機運転が行われた。ガソリンエンジンは、回転速度２０００ｒｐｍ、図示平均有効圧力（NMEP：Net Mean Effective Pressure）１２００ｋＰａ、空燃比（Ａ／Ｆ）１４．５の条件で、３０００サイクルに亘って運転された。そして、運転中の図示平均有効圧力の変動率（COV：Coefficient Of Variance）が算出された。図示平均有効圧力の変動率が小さいほど失火が少なく、サンプルの着火性能が優れている。

燃焼安定性試験では、図示平均有効圧力の変動率が１％未満であるサンプルの評価を「Ａ」とし、図示平均有効圧力の変動率が１％以上２％未満であるサンプルの評価を「Ｂ」とし、図示平均有効圧力の変動率が２％以上であるサンプルの評価を「Ｃ」とした。

燃焼安定性試験の結果は、表１に示す通りである。（Ｂ／Ａ）≦０．２５を満たす全てのサンプル１〜１２、１４〜３０の燃焼安定性の評価結果は、「Ｂ」以上（「Ａ」または「Ｂ」）であった。これに対して、（Ｂ／Ａ）＞０．２５であるサンプル１３の燃焼安定性の評価結果は、「Ｃ」であった。この結果より、（Ｂ／Ａ）≦０．２５を満たすことによって、点火プラグ１００の着火性能を向上することができることが実証された。

（Ｂ／Ａ）≦０．２５を満たすサンプル１〜１２、１４〜３０のうち、（Ｂ／Ａ）≦０．１５を満たす全てのサンプル１〜９、１６〜３０の燃焼安定性の評価結果は、「Ａ」であった。これに対して、（Ｂ／Ａ）＞０．１５であるサンプル１０、１１、１２、１４、１５の燃焼安定性の評価結果は、「Ｂ」であった。この結果より、（Ｂ／Ａ）≦０．１５を満たすことによって、点火プラグ１００の着火性能をさらに向上することができることが実証された。

耐消耗性試験では、各サンプルを、直列４気筒、排気量２Ｌ、直噴、過給器付きのガソリンエンジンに取り付けて実機運転が行われた。ガソリンエンジンは、回転速度４０００ｒｐｍ、スロットル全開（ＷＯＴ（Wide-Open Throttle））、図示平均有効圧力１９０ｋＰａ、空燃比（Ａ／Ｆ）１２の条件で、１００時間に亘って運転された。そして、運転後のギャップ長の増加量を測定した。ギャップ長の増加量が小さいほど耐消耗性が優れている。

耐消耗性試験では、ギャップ長の増加量が０．２ｍｍ未満であるサンプルの評価を「Ａ」とし、ギャップ長の増加量が０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ未満であるサンプルの評価を「Ｂ」とした。ギャップ長の増加量が０．３ｍｍ以上であるサンプルは無かった。

耐消耗性試験の結果は、表１に示す通りである。０．００５≦（Ｂ／Ａ）を満たす全てのサンプル２〜１７、１９〜３０の耐消耗性の評価結果は、「Ａ」であった。これに対して、０．００５＞（Ｂ／Ａ）であるサンプル１、１８の耐消耗性の評価結果は、「Ｂ」であった。この結果より、０．００５≦（Ｂ／Ａ）を満たすことによって、点火プラグ１００の耐消耗性の過度な低下を抑制できることが実証された。

燃焼速度試験では、各サンプルを、直列４気筒、排気量１．６Ｌ、直噴、過給器付きのガソリンエンジンに取り付けて実機運転が行われた。ガソリンエンジンは、回転速度２０００ｒｐｍ、図示平均有効圧力（NMEP：Net Mean Effective Pressure）１２００ｋＰａ、空燃比（Ａ／Ｆ）１４．５の条件で、３０００サイクルに亘って運転された。そして、運転中の質量燃焼割合(MFB:Mass Fraction Burned)が１０％から９０％に到達するのに要する時間を測定した。測定された時間が短いほど燃焼速度が速く、サンプルの着火性能が優れている。

燃焼速度試験では、比較サンプルとして、キャップ９０を有しない一般的な点火プラグ（試験用のガソリンエンジン用の標準的な点火プラグ）を準備して、各サンプルと同様の試験を行い、上述した質量燃焼割合が１０％から９０％に到達するのに要する時間を測定した。そして、比較サンプルと比較して測定された時間が短縮された割合（短縮割合と呼ぶ）が２０％以上であるサンプルの評価を「Ａ」とし、短縮割合が１０％以上２０％未満であるサンプルの評価を「Ｂ」とした。短縮割合が１０％未満であるサンプルは無かった。

燃焼速度試験の結果は、表１に示す通りである。ギャップ長が、０．２ｍｍ以上である全てのサンプル１〜２９の燃焼速度の評価結果は、「Ａ」であった。これに対して、ギャップ長が、０．２ｍｍ未満であるサンプル３０の燃焼速度の評価結果は、「Ｂ」であった。この結果より、ギャップ長を０．２ｍｍ以上とすることによって、点火プラグ１００の燃焼速度を向上して、点火プラグ１００の着火性能を向上できることが実証された。

Ｂ．変形例
（１）上記実施形態の点火プラグ１００の具体的な構成は、一例であり、これに限られない。図６は、変形例の説明図である。図６には、図３の第１実施形態の断面ＣＦ１に対応する部分が図示されている。

この変形例では、主体金具２Ｂは、２個の部材には分かれておらず、１個の部材で形成されている。また、本変形例では、キャップ９０Ｂは、主体金具２Ｂの先端面に溶接によって固定されている。また、本変形例では、接地電極３０Ｂは、軸線ＡＸに沿って延びる丸棒状の部材である。接地電極３０Ｂの後端側の面は、第２放電面３０Ｓである。接地電極３０Ｂの先端側の面は、キャップ９０Ｂの内面に溶接によって接合されている。これによって、接地電極３０Ｂは、キャップ９０Ｂを介して、主体金具２Ｂに電気的に接続されている。このようにキャップや主体金具の構成は、様々な変形が可能である。

また、図示は省略するが、キャップ９０の形状は、半球状に変えて、円筒状の形状を有していても良い。この場合には、仮想空間ＶＶの先端側の形状は、円柱状になる。

（２）図６の変形例では、絶縁体１０Ｂ（脚長部１３Ｂ）の先端面１３ｓＢは、軸線ＡＸと垂直ではなく、傾斜している。このために、絶縁体１０Ｂの軸孔１２Ｂの先端の開口１２ｏＢも同様に傾斜している。この場合には、図６に示すように、開口１２ｏＢの後端を通り、軸線ＡＸと垂直な仮想平面を、開口１２ｏＢを塞ぐ第１仮想平面ＶＳ１として定義することができる。

（３）図６の変形例では、貫通孔９５ａＢ、９５ｂＢの内側開口９５ａｏＢ、９５ｂｏＢには、面取部ＦＲが設けられているので、部分的に孔径が拡大している。この場合には、面取部ＦＲを除いた部分のうち、最も内側の部分に、内側開口９５ａｏＢ、９５ｂｏＢを最小面積で塞ぐ第２仮想平面ＶＳ２ａ、ＶＳ２ｂを定義することができる。

（４）上記実施形態において、絶縁体１０の縮外径部１５の外周面と、内側主体金具５０の段部５６のシール部ＳＰと、は、板パッキン８を介して接触している。これに代えて、絶縁体１０の縮外径部１５の外周面と、内側主体金具５０の段部５６のシール部ＳＰと、は、直接に接触しても良い。

（５）上記実施形態において、例えば、中心電極２０、端子電極４０、接地電極３０、主体金具２などの材質、形状、寸法などは、様々に変更可能である。例えば、上記実施形態では、中心電極２０や接地電極３０は１個の材料で形成されている。これに代えて、中心電極は、中心電極本体と、中心電極本体の先端に溶接され、放電面を有する中心電極チップと、を備える構成であっても良い。また、接地電極３０は、接地電極本体と、接地電極本体の自由端部に溶接され、放電面を有する接地電極チップと、を備える構成であっても良い。中心電極チップや接地電極チップとは、例えば、電極本体（例えば、Ｎｉ合金）よりも放電に対する耐久性に優れる材料（例えば、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）等の貴金属、タングステン（Ｗ）、それらの金属から選択された少なくとも１種を含む合金）を用いて形成される。

以上、実施形態、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。

２、２Ｂ…主体金具、２Ｂ…主体金具、５Ａ…内側ガスケット、５Ｂ…外側ガスケット、６…線パッキン、８…板パッキン、９…タルク、９…サンプル、１０、１０Ｂ…絶縁体、１２、１２Ｂ…軸孔、１２Ｌ…大内径部、１２Ｓ…小内径部、１２ｏ…開口、１２ｏＢ…開口、１３、１３Ｂ…脚長部、１５…縮外径部、１６…縮内径部、１７…先端側胴部、１８…後端側胴部、１９…鍔部、２０…中心電極、２０Ｓ…第１放電面、２３…頭部、２４…鍔部、２５…脚部、３０…接地電極、３０Ｂ…接地電極、３０Ｓ…第２放電面、３１…自由端部、３２…接続端部、４０…端子電極、４１…キャップ装着部、４２…鍔部、４３…脚部、５０…内側主体金具、５１…工具係合部、５２…取付ネジ部、５３…加締部、５４…座部、５６…段部、５８…圧縮変形部、５９…貫通孔、６０…外側主体金具、６１…先端部、６２…取付ネジ部、６４…座部、６６…雌ネジ、６９…貫通孔、７０…抵抗体、８０Ａ、８０Ｂ…シール部材、９０、９０Ｂ…キャップ、９５ａ〜９５ｄ…貫通孔、１００…点火プラグ、ＢＳ…副燃焼空間

Claims (4)

1. 軸線方向に延びる中心電極と、
   前記軸線方向に延びる軸孔を有し前記軸孔の先端側に前記中心電極が配置される絶縁体と、
   前記絶縁体の外周に配置され、前記絶縁体の外周面と直接または他部材を介して接触するシール部を有する筒状の主体金具と、
   前記中心電極との間に間隙を形成する接地電極と、
   前記主体金具の先端部に接続され、前記主体金具の先端側の開口を覆うことで、前記間隙が配置される副燃焼空間を区画するキャップと、
   を備え、
   前記キャップには、前記副燃焼空間と外部とを連通する少なくとも1つの貫通孔が形成される点火プラグであって、
   前記絶縁体の前記軸孔の先端の開口を塞ぐ前記軸線に垂直な仮想平面を第１仮想平面とし、
   前記キャップの前記貫通孔の内周面側の開口を最小面積で塞ぐ仮想平面を第２仮想平面とした場合に、
   前記シール部よりも先端側において、前記キャップの内面と前記主体金具の表面と前記絶縁体の表面と前記第１仮想平面と前記第２仮想平面とで区画される仮想空間の体積をＡとし、前記接地電極と前記中心電極とのうち、前記仮想空間内に位置する部分の体積をＢとするとき、（Ｂ／Ａ）≦０．２５を満たすことを特徴とする、点火プラグ。
2. 請求項１に記載の点火プラグであって、
   （Ｂ／Ａ）≦０．１５を満たすことを特徴とする、点火プラグ。
3. 請求項１または２に記載の点火プラグであって、
   ０．００５≦（Ｂ／Ａ）を満たすことを特徴とする、点火プラグ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の点火プラグであって、
   前記中心電極と前記接地電極との間の前記間隙は、０．２ｍｍ以上であることを特徴とする、点火プラグ。

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