JP6864711B2

JP6864711B2 - スパークプラグ

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Publication number: JP6864711B2
Application number: JP2019087434A
Authority: JP
Inventors: 達哉後澤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2019-05-07
Filing date: 2019-05-07
Publication date: 2021-04-28
Anticipated expiration: 2039-05-07
Also published as: JP2020184435A; CN111917004B; CN111917004A; US10770868B1; DE102020112012A1

Description

本発明はスパークプラグに関する。

特許文献１には、絶縁体と主体金具とを備えるスパークプラグが開示されている。このスパークプラグにおいて、主体金具の外周面のうちネジ部の後端からネジ部の先端までの部分の表面積と、主体金具のうちの内燃機関の燃焼ガスに曝される部分の表面積と、絶縁体のうち燃焼ガスに曝される部分の表面積とが、所定の関係を満たす場合に、耐熱性を向上することができる、と記載されている。

国際公開第２０１８／０２５４４０号

近年、内燃機関に対する高効率化の要求が高まっている。内燃機関の高効率化に対しては燃焼速度の向上が有効であることが知られている。燃焼速度の向上に対して有効であるとして近年注目されているのが副室付きスパークプラグ（以下プレチャンバープラグとも称する）である。プレチャンバープラグはこれまで発電機やレース用エンジンに適用され、燃焼効率の向上が確認されている。さらにプレチャンバープラグは発電機やレース用エンジン以外の内燃機関に適用しても、燃焼効率が向上する効果がみられる。

プレチャンバープラグは電極間で火花点火したあと、まず副室内で燃焼が発生する。その後、副室内の燃焼が外部との貫通孔（噴孔）を通して噴出し、噴出した高温ガスを着火源として主燃焼室内で爆発的な燃焼が起こる。副室から高温ガスが噴出する速度は副室を有しないスパークプラグの点火による燃焼の速度より速く、さらに、噴出した高温ガスの軌跡全体が着火源となるため、高温ガスにより多くの燃料を触れさせることが可能である。このため、プレチャンバープラグの燃焼速度は副室を有しないスパークプラグの燃焼速度よりも速くなり、それにより燃焼効率が向上する効果が期待できる。

しかし、プレチャンバープラグは、発火部が密閉されているという構造上、副室内部の温度が高くなりやすい傾向がある。過熱の状態が続けばプレイグニッションが発生する虞があり、問題がある。一方、副室内部の温度が低くなりすぎると、副室内での燃焼にエネルギーを消費することになり、主燃焼室で燃焼を発生させられず失火する虞があり、問題がある。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、プレイグニッションと失火の双方を抑制す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。

副室内において副室体積は混合気量を決定するため、発生する熱エネルギーに影響を与える。また、絶縁体は熱伝導率が低いため、熱を蓄えるはたらきをする。一方、主体金具やカバー部など金属部分はエンジンヘッドと接続されるため、外部に熱を逃がして副室全体を冷却する役目を担う。本願発明者は、副室体積は発熱、絶縁体表面積は蓄熱、金具や副室筐体などの表面積は放熱に関する作用を奏する点に着目して、本発明の副室付きスパークプラグを開発するに至った。

本発明の一つであるスパークプラグは、
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、を先端側から覆って、副室を形成するとともに、貫通孔たる噴孔が形成されたカバー部と、
を備えたスパークプラグであって、
前記絶縁体の外周面のうち、前記副室に露出した部分の表面積を第１表面積Ａ（ｍｍ^２）とし、
前記カバー部及び前記主体金具のうち、前記副室に露出した部分の合計表面積を第２表面積Ｂ（ｍｍ^２）とするとき、
０．１０＜Ａ／Ｂ＜０．７０
の関係式１を満たす。

この構成によれば、蓄熱性を有し熱源となる絶縁体と、放熱性を有し冷却を促進するカバー部及び主体金具とが上記のような関係式を満たすから、副室内の加熱と冷却のバランスを良好に保つことができる。この結果、プレイグニッションと失火の双方を抑制することができる。

上記スパークプラグにおいて、
前記副室の体積を副室体積Ｃ（ｍｍ^３）とするとき、
０．５０＜Ｃ／Ｂ＜２．１０
の関係式２を満たしてもよい。
この構成によれば、副室内での燃焼による発熱に関する副室の体積と、放熱性を有し冷却を促進するカバー部及び主体金具とが上記のような関係式を満たすから、副室内の加熱と冷却のバランスをより良好に保つことができる。

上記スパークプラグにおいて、
０．１５＜Ａ／Ｂ＜０．５５
の関係式３を満たしてもよい。
この構成によれば、副室内の加熱と冷却のバランスをより良好に保つことができる。

上記スパークプラグにおいて、
０．８０＜Ｃ／Ｂ＜１．９０
の関係式４を満たしてもよい。
この構成によれば、副室内の加熱と冷却のバランスをさらに良好に保つことができる。

上記スパークプラグにおいて、
１．１０＜Ｃ／Ｂ＜１．８０
の関係式５を満たしてもよい。
この構成によれば、副室内の加熱と冷却のバランスをさらに良好に保つことができる。

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。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）とし、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。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、カバー部５０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内に位置するように、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において内周面４３から内側へ向かって延びている。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り、絶縁体２０を内部に収容する。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。

カバー部５０はドーム状に形成されている。カバー部５０の後端は、主体金具４０の先端に固定される。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を先端側から覆って、副室５１を形成する。つまり、副室５１は、カバー部５０の内壁面５３と主体金具４０の内周面４３によって囲まれた空間とされている。カバー部５０には、貫通孔たる噴孔５５が形成されている。カバー部５０に覆われた空間である副室５１（着火室）は、噴孔５５を介して燃焼室と連通する。カバー部５０のうち、噴孔５５よりも先端側の部分は、噴孔５５よりも後端側の部分よりも薄くされている。

続いて、スパークプラグ１００の各部の関係について図２を参照しつつ説明する。絶縁体２０の外周面２４うち、副室５１に露出した部分の表面積を第１表面積Ａ（ｍｍ^２）とし、カバー部５０及び主体金具４０のうち、副室５１に露出した部分の合計表面積を第２表面積Ｂ（ｍｍ^２）とするとき、スパークプラグ１００は、以下の関係式１を満たす。
関係式１０．１０＜Ａ／Ｂ＜０．７０

また、副室５１の体積を副室体積Ｃ（ｍｍ^３）とするとき、以下の関係式２を満たすことが好ましい。
関係式２０．５０＜Ｃ／Ｂ＜２．１０

さらに、関係式３、関係式４、関係式５を満たすことがより好ましい。
関係式３０．１５＜Ａ／Ｂ＜０．５５
関係式４０．８０＜Ｃ／Ｂ＜１．９０
関係式５１．１０＜Ｃ／Ｂ＜１．８０

第１表面積Ａ、第２表面積Ｂ、及び副室体積Ｃは、Ｘ線ＣＴ（ｃｏｍｐｕｔｅｄｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）スキャナーを用いて算出することができる。本実施形態では、副室５１の上端部において、主体金具４０と絶縁体２０との間には、環状のシール部材６０が設けられており、第１表面積Ａは、絶縁体２０の外周面２４のうちシール部材６０より先端側の部分の面積とされる。また、第２表面積Ｂは、主体金具４０の内周面４３のうちシール部材６０より先端側の部分の面積と、カバー部５０の内壁面５３の面積の合算値とされる。なお、カバー部５０の内壁面５３における噴孔５５の開口面積及び主体金具４０における接地電極１３が挿入される開口面積については、第２表面積Ｂに含めない。

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。
上記関係式１及び関係式３において、下限値より大きい場合には、蓄熱性を有し熱源となる絶縁体２０の表面積を確保することにより、副室５１内の温度を所定の温度以上に保つことができる。また、上限値より小さい場合には、放熱性を有し冷却を促進するカバー部５０及び主体金具４０の表面積を確保することにより、副室５１内の温度を所定の温度以下に保つことができる。このため、副室５１内の加熱と冷却のバランスを良好に保つことができる。この結果、プレイグニッションと失火の双方を抑制することができる。
また、上記関係式２、関係式４、及び関係式５において、下限値より大きい場合には、副室内での燃焼による発熱に関する副室５１の体積を確保することにより、副室５１内の温度を所定の温度以上に保つことができる。また、上限値より小さい場合には、放熱性を有し冷却を促進するカバー部５０及び主体金具４０の表面積を確保することにより、副室５１内の温度を所定の温度以下に保つことができる。このため、副室５１内の加熱と冷却のバランスをより良好に保つことができる。

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。

（１）実験例
実験例１〜４８として、第１表面積（絶縁体表面積）Ａ、第２表面積（副室表面積）Ｂ、及び副室体積Ｃを変更したスパークプラグのサンプルを作製した。各サンプルの第１表面積Ａ、第２表面積Ｂ、及び副室体積Ｃは、Ｘ線ＣＴスキャナーを用いて、２００ｋＶ−１２０ｕＡの条件で各サンプルをスキャンして得られた３Ｄ像から算出した。
実験例１〜１６，１８〜２０，２２〜２４，２６〜２８，３０〜３２，３５，３６，３９，４０，４３，４４，４７，４８は実施例である。これらの第１表面積（絶縁体表面積）Ａ、第２表面積（副室表面積）Ｂ、及び副室体積Ｃを、下記の表１に記載した。
実験例１７，２１，２５，２９，３３，３４，３７，３８，４１，４２，４５，４６は比較例である。これらの第１表面積（絶縁体表面積）Ａ、第２表面積（副室表面積）Ｂ、及び副室体積Ｃを、下記の表１に記載した。
表１において、実験例を「Ｎｏ．」を用いて示す。また、表１において「１７＊」のように、「＊」が付されている場合には、比較例であることを示している。

（２）評価方法
（２−１）耐プレイグニッション性評価試験
各サンプルについて、耐プレイグニッション性評価試験を行った。耐プレイグニッション性評価試験の概要は次の通りである。サンプルを、直列４気筒、排気量１．３Ｌ、自然吸気エンジンに取付けた上で、点火角度（クランク角度）を所定の初期値として、全開状態（６０００ｒｐｍ）にてエンジンの一連の工程を１サイクルとし、そのサイクルを１０００回繰り返すまでエンジンを稼動させた。その後、エンジン動作時にプレイグニッションが発生したか否かを確認し、プレイグニッションが発生した場合には、そのときの点火角度をプレイグニッション発生角度として特定した。プレイグニッションが発生しなかった場合には、点火角度を１度進角させた上で、再度エンジンを全開状態にて動作させ、プレイグニッションの発生の有無を確認した。これを、プレイグニッションが発生するまで繰り返し行い、各サンプルのプレイグニッション発生角度を特定した。さらに、基準となるスパークプラグ（試験エンジンに搭載された純正スパークプラグ）についても、同様にしてプレイグニッション発生角度を特定した。そして、基準となるスパークプラグのプレイグニッション発生角度と各サンプルのプレイグニッション発生角度の差分値を算出した。この基準となるスパークプラグに対してプレイグニッション発生角度が進角側であるほど、耐プレイグニッション性能が高いスパークプラグとして評価される。基準となるスパークプラグに対する各サンプルのプレイグニッション発生角度を以下の基準で評価して、各実験例の評価スコアを付けた。その結果を、表１の「プレイグニッション」の欄に示した。

＜耐プレイグニッション性の評価＞
評価は以下のような４段階で行った。評価スコアは、点数が高いほど、耐プレイグニッション性能が高いことを示す。
評価スコア５：基準となるスパークプラグに対して７°ＣＡ以上進角
２：基準となるスパークプラグに対して５°ＣＡ以上７°ＣＡ未満進角
１：基準となるスパークプラグに対して２°ＣＡ以上５°ＣＡ未満進角
０：基準となるスパークプラグに対して２°ＣＡ未満進角か、遅角

（２−２）失火率の測定
各サンプルについて、以下のようにして失火率を測定した。サンプルを、直列４気筒、排気量１．６Ｌ、直噴ターボチャージャエンジンに取付けた上で、エンジン回転数２０００ｒｐｍ、最高吸気圧１０００ｋＰａの条件で運転し、失火率を測定した。失火率は、１つの気筒の１０００回のサイクルにおける失火サイクル（着火できなかったサイクル）の数の割合として算出した。この失火率が低いほど、着火性が高いスパークプラグとして評価される。各サンプルの失火率を以下の基準で評価して、各実験例の評価スコアを付けた。その結果を、表１の「失火」の欄に示した。

＜失火率の評価＞
評価は以下のような６段階で行った。評価スコアは、点数が高いほど、失火率が低いことを示す。
評価スコア５：失火率１％未満
４：失火率１％以上２％未満
３：失火率２％以上３％未満
２：失火率３％以上５％未満
１：失火率５％以上７％未満
０：失火率７％以上

（２−３）総合評価
耐プレイグニッション性の評価スコアと、失火率の評価スコアの合計スコアをもとに、各サンプルを総合評価した。各サンプルの合計スコアを表１の「総合評価」の欄の左側に示した。合計スコアが高いほど、プレイグニッションと失火の双方が抑制されたスパークプラグとして評価される。合計スコアが１０のサンプルの総合評価を「++++」とし、９のサンプルの総合評価を「+++」とし、８のサンプルの総合評価を「++」とし、７のサンプルの総合評価を「＋」とし、６のサンプルの総合評価を「±」とし、５のサンプルの総合評価を「−」とした。その結果を、表１の「総合評価」の欄の右側に示した。

（３）評価結果
実施例である実験例１〜１６，１８〜２０，２２〜２４，２６〜２８，３０〜３２，３５，３６，３９，４０，４３，４４，４７，４８は、下記の関係式１を満たしている。
これに対して、比較例である実験例１７，２１，２５，２９，３３，３４，３７，３８，４１，４２，４５，４６はＡ／Ｂが０．７以上であり、関係式１を満たしていない。
実施例である実験例１〜１６，１８〜２０，２２〜２４，２６〜２８，３０〜３２，３５，３６，３９，４０，４３，４４，４７，４８は、合計スコアが６（総合評価±）以上であり、合計スコアの平均は７．６７であった。比較例である実験例１７，２１，２５，２９，３３，３４，３７，３８，４１，４２，４５，４６は、合計スコアが５（総合評価−）であった。以上の結果から、実施例は比較例と比較して、プレイグニッションと失火の双方が抑制されていた。

・関係式１：０．１０＜Ａ／Ｂ＜０．７０

また、実施例である実験例１〜１６，１８〜２０，２２〜２４，２６〜２８，３０〜３２，３５，３６，３９，４０，４３，４４，４７，４８のうち、下記の関係式２を満たす実験例１〜３，６〜８，１１，１２，１６，１８，１９，２２〜２４，２７，２８，３２，３５，３９，４０，４３，４４，４８は、合計スコアが７（総合評価＋）以上であり、合計スコアの平均が８．６であった。関係式２を満たすスパークプラグは、プレイグニッションと失火の双方がより抑制されていた。

・関係式２：０．５０＜Ｃ／Ｂ＜２．１０

実施例である実験例１〜１６，１８〜２０，２２〜２４，２６〜２８，３０〜３２，３５，３６，３９，４０，４３，４４，４７，４８のうち、下記の関係式３を満たす実験例１〜３，５〜７，９〜１１，１３〜１５，１８，１９，２０，２３，２４，２７，２８，３１，３２，３６，４０，４４，４８は、合計スコアの平均が８．１であった。関係式３を満たすスパークプラグは、プレイグニッションと失火の双方がより抑制されていた。

・関係式３：０．１５＜Ａ／Ｂ＜０．５５

関係式２を満たす実験例１〜３，６〜８，１１，１２，１６，１８，１９，２２〜２４，２７，２８，３２，３５，３９，４０，４３，４４，４８のうち、下記の関係式４を満たす実験例１，２，６，７，１１，１２，１６，１８，２２，２３，２７，２８，３２，３９，４３，４４，４８は、合計スコアの平均が８．９であった。下記の関係式４を満たすスパークプラグは、プレイグニッションと失火の双方がさらに抑制されていた。

・関係式４：０．８０＜Ｃ／Ｂ＜１．９０

関係式４を満たす実験例１，２，６，７，１１，１２，１６，１８，２２，２３，２７，２８，３２，３９，４３，４４，４８のうち、下記の関係式５を満たす実験例１，６，７，１１，１２，１６，２２，２３，２７，２８，３２，３９，４３，４４，４８は、合計スコアの平均が９．０であった。関係式５を満たすスパークプラグは、プレイグニッションと失火の双方がさらに抑制されていた。

・関係式５：１．１０＜Ｃ／Ｂ＜１．８０

＜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。カバー部の形状は、例えば、円筒、四角の箱型、円錐等とすることができる。
（２）上記実施形態では、特定数の噴孔を備えたスパークプラグを例示したが、噴孔の数は、特に限定されず、適宜変更できる。また、噴孔の配置、貫通方向も適宜変更可能である。

１０…中心電極
１１…先端部
１３…接地電極
１３Ａ…対向部
２０…絶縁体
２１…軸孔
２２…後端開口部
２４…外周面
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
４１…筒孔
４３…内周面
５０…カバー部
５１…副室
５３…内壁面
５５…噴孔
６０…シール部材
１００…スパークプラグ
ＣＸ…中心軸線
ＳＧ…放電ギャップ

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、を先端側から覆って、副室を形成するとともに、貫通孔たる噴孔が形成されたカバー部と、
を備えたスパークプラグであって、
前記絶縁体の外周面のうち、前記副室に露出した部分の表面積を第１表面積Ａ（ｍｍ^２）とし、
前記カバー部及び前記主体金具のうち、前記副室に露出した部分の合計表面積を第２表面積Ｂ（ｍｍ^２）とするとき、
０．１０＜Ａ／Ｂ＜０．７０
の関係式１を満たすスパークプラグ。
前記副室の体積を副室体積Ｃ（ｍｍ^３）とするとき、
０．５０＜Ｃ／Ｂ＜２．１０
の関係式２を満たす請求項１に記載のスパークプラグ。
０．１５＜Ａ／Ｂ＜０．５５
の関係式３を満たす請求項１又は請求項２に記載のスパークプラグ。
０．８０＜Ｃ／Ｂ＜１．９０
の関係式４を満たす請求項２に記載のスパークプラグ。
１．１０＜Ｃ／Ｂ＜１．８０
の関係式５を満たす請求項４に記載のスパークプラグ。