JP6916845B2

JP6916845B2 - スパークプラグ

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Publication number: JP6916845B2
Application number: JP2019148478A
Authority: JP
Inventors: 西尾　直樹; 直樹西尾; 棚橋　祐介; 祐介棚橋
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2039-08-13
Also published as: JP2021034120A; CN112398006B; DE102020120876A1; CN112398006A

Description

本発明は、スパークプラグに関する。

内燃機関、例えば、ガソリンエンジンに用いる点火用のスパークプラグとして、中心電極と、中心電極の外周に設けられた筒状の絶縁体と、絶縁体の外周に配置された筒状の主体金具とを備えるスパークプラグが知られている（例えば、特許文献１）。このようなスパークプラグでは、中心電極と主体金具との絶縁性は、これらの間に設けられた絶縁体により確保されている。

特開２００５−２８５５５１号公報

一般に、スパークプラグは、エンジンヘッドに固定され、エンジン内の燃焼ガスの点火を行うため、スパークプラグはエンジン内の爆発に起因する衝撃や振動を受け続けるとともに、この爆発によりスパークプラグの先端側は特に高熱に曝される。このため、衝撃や振動に起因して絶縁体の割れが発生する虞があるとともに、高熱に起因して絶縁体の周りの部材が熱膨張することにより、絶縁体が圧縮応力を受ける結果、絶縁体の割れが発生する虞がある。そして、絶縁体の割れが発生した場合、絶縁体の絶縁性が低下する虞がある。このため、絶縁体の割れの発生を抑制する技術の開発が望まれていた。

本発明は、上記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できる。

（１）本発明の一形態によれば、スパークプラグが提供される。スパークプラグは、軸線の方向に沿って第１貫通孔が形成され、前記軸線の方向に沿って先端側に向かうにつれて外径が小さくなる係止部を有する絶縁体と、前記軸線の方向に沿って第２貫通孔が形成され、前記第２貫通孔内において前記軸線の方向に沿って先端側に向かうにつれて内径が小さくなる棚部によって、パッキンを介して前記係止部を係止した状態で前記絶縁体を保持する主体金具と、を備えるスパークプラグであって、前記軸線の方向において、前記絶縁体の先端は、前記主体金具の先端よりも後端側に設けられており、前記軸線を含む断面において、前記係止部は、前記軸線の方向に沿って先端側に向かうにつれて一定の割合で外径が小さくなる直線部と、前記直線部の先端に連なり、曲率半径が０．０５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下となるように、前記軸線の方向に沿って先端側に向かうにつれて外径が小さくなる曲線部と、を有することを特徴とする。この形態のスパークプラグによれば、曲線部における曲率半径が０．０５ｍｍ以上であることにより、絶縁体の特定の部分に応力が集中することを抑制できるため、振動や衝撃を絶縁体が受けた場合においても絶縁体が割れることを抑制できる。さらに、曲線部における曲率半径が０．３０ｍｍ以下であるため、曲線部よりも先端側における絶縁体と主体金具との隙間を確保できる。このため、この形態のスパークプラグによれば、この隙間があることによって、主体金具とパッキンが高熱になることにより主体金具とパッキンが膨張した場合においても、パッキンから絶縁体への圧縮応力に起因する絶縁体の割れを抑制できる。

（２）上記形態のスパークプラグにおいて、前記曲率半径が０．０５ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下であってもよい。この形態のスパークプラグによれば、曲線部よりも先端側における絶縁体と主体金具との隙間を十分に確保できるため、パッキンから絶縁体への圧縮応力に起因する絶縁体の割れを効果的により抑制できる。

（３）上記形態のスパークプラグにおいて、前記曲率半径が０．０５ｍｍ以上０．１０ｍｍ以下であってもよい。この形態のスパークプラグによれば、曲線部よりも先端側における絶縁体と主体金具との隙間をより十分に確保できるため、パッキンから絶縁体への圧縮応力に起因する絶縁体の割れをより一層抑制できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、スパークプラグが取り付けられたエンジンヘッド等の態様で実現することができる。

スパークプラグの部分断面を示す説明図。棚部の周辺における断面模式図。振動試験の結果を示す図。冷熱試験の結果を示す図。衝撃試験の結果を示す図。

Ａ．第１実施形態：
図１は、スパークプラグ１００の部分断面を示す説明図である。図１では、スパークプラグ１００の軸心である軸線ＣＡを境界として、紙面右側にスパークプラグ１００の外観形状を図示し、紙面左側にスパークプラグ１００の断面形状を図示している。本実施形態の説明では、図１の下方側をスパークプラグ１００の先端側と呼び、図１の上方側をスパークプラグ１００の後端側と呼ぶ。

スパークプラグ１００は、軸線ＣＡに沿って第１貫通孔１２が形成された絶縁体１０と、第１貫通孔１２に設けられた中心電極２０と、絶縁体１０の外周に配置された筒状の主体金具５０と、主体金具５０に基端３２が固定された接地電極３０と、を備える。なお、スパークプラグ１００の軸心は、絶縁体１０の軸線と同じである。

絶縁体１０は、アルミナを始めとするセラミック材料を焼成することにより形成された絶縁碍子である。絶縁体１０は、主体金具５０の内周に配置されている部材であり、先端側に中心電極２０の一部を収容し、後端側に端子金具４０の一部を収容する第１貫通孔１２が中心に形成された筒状の部材である。

絶縁体１０の軸方向中央には外径の大きい中央胴部１９が形成されている。中央胴部１９の後端側には、中央胴部１９よりも外径が小さい後端側胴部１８が形成されている。中央胴部１９の先端側には、後端側胴部１８よりも外径が小さい先端側胴部１７が形成されている。先端側胴部１７の更に先端側には、軸線ＣＡの方向に沿って先端側に向かうにつれて外径が小さくなる係止部１５が形成されている。係止部１５については、後に詳述する。係止部１５の先端側には、係止部１５よりも小さい割合で、軸線ＣＡの方向に沿って先端側に向かうにつれて小さくなる脚長部１３が形成されている。軸線ＣＡの方向において、絶縁体１０の先端は、主体金具５０の先端よりも後端側に設けられている。

中心電極２０は、電極部材２１の内部に、電極部材２１よりも熱伝導性に優れる芯材２２が埋設された棒状の部材である。電極部材２１は、ニッケルを主成分とするニッケル合金から形成されており、芯材２２は、銅又は銅を主成分とする合金から形成されている。中心電極２０の先端側の端部には、例えば、イリジウム合金などによって形成された貴金属チップが接合されていてもよい。

中心電極２０の後端側の端部近傍には、外周側に張り出した鍔部２３が形成されている。鍔部２３は、絶縁体１０の第１貫通孔１２において内周側に張り出した軸孔内段部１４に後端側から接しており、中心電極２０を絶縁体１０内で位置決めする。中心電極２０は、中心電極２０の後端側において、シール体６４及びセラミック抵抗６３を介して端子金具４０と電気的に接続する。

接地電極３０は、主体金具５０の端面５７に基端３２が固定されている。接地電極３０は、基端３２から先端側に延びる基端部３６と、中心電極２０に対向する対向面Ｓ１が形成された対向部３３と、基端部３６と対向部３３とを接続し、屈曲した形状の屈曲部３８と、を備える。接地電極３０は、ニッケルを主成分として形成されている。接地電極３０には、対向面Ｓ１にチップ３１が設けられている。

主体金具５０は、軸線ＣＡに沿って第２貫通孔２６が形成された筒状の金具である。主体金具５０は、第２貫通孔２６内において絶縁体１０を保持する。より具体的には、主体金具５０は、絶縁体１０の後端側胴部１８の一部から脚長部１３に亘る部位を包囲して保持する。主体金具５０は、例えば、低炭素鋼により形成され、全体にニッケルめっきや亜鉛めっき等のめっき処理が施されている。

主体金具５０は、後端側から順に、工具係合部５１と、シール部５４と、取付ネジ部５２とを備える。工具係合部５１には、スパークプラグ１００をエンジンヘッド９０に取り付けるための工具が嵌合する。取付ネジ部５２は、主体金具５０の外周において全周に雄ネジが形成された部分であり、エンジンヘッド９０の取付ネジ孔９３にねじ込まれる部分である。シール部５４は、取付ネジ部５２の根元に鍔状に形成されている。シール部５４とエンジンヘッド９０との間には、板体を折り曲げることにより形成した環状のガスケット６５が嵌挿されている。主体金具５０の先端側の端面５７は、中空の円状であり、その中央からは、絶縁体１０の脚長部１３の先端と中心電極２０の先端とが突出している。

主体金具５０の工具係合部５１より後端側には、厚みの薄い加締部５３が設けられている。また、シール部５４と工具係合部５１との間には、加締部５３と同様に厚みの薄い圧縮変形部５８が設けられている。工具係合部５１から加締部５３にかけての主体金具５０の内周面と絶縁体１０の後端側胴部１８の外周面との間には、円環状のリング部材６６，６７が介在されており、更にこれらのリング部材６６，６７間にはタルク６９の粉末が充填されている。スパークプラグ１００の製造時には、加締部５３を内側に折り曲げるようにして先端側に押圧することにより圧縮変形部５８が圧縮変形する。この圧縮変形部５８の圧縮変形により、リング部材６６，６７及びタルク６９を介し、絶縁体１０が主体金具５０内で先端側に向け押圧される。そして、この押圧により、軸線ＣＡに沿った方向にタルク６９が圧縮されることにより、主体金具５０内の気密性が高められる。

主体金具５０は、第２貫通孔２６内において軸線ＣＡの方向に沿って先端側に向かうにつれて内径が小さくなる棚部５６を有する。

図２は、棚部５６の周辺における断面模式図である。図２に記載された断面は、図１の紙面左側と同様に軸線ＣＡを含む断面である。係止部１５と棚部５６との間には、環状のパッキン６８が設けられている。主体金具５０は、棚部５６によって、パッキン６８を介して係止部１５を係止した状態で絶縁体１０を保持する。パッキン６８は、主体金具５０と絶縁体１０との間の気密性を保持する部材であり、燃焼ガスの流出を防止する。本実施形態では、パッキンとして、板パッキンを用いる。

図２に示す軸線ＣＡを含む断面において、係止部１５は、直線部ＳＬと、曲線部ＣＬとを有する。軸線ＣＡを含む断面において、直線部ＳＬは、軸線ＣＡの方向に沿って先端側に向かうにつれて一定の割合で外径が小さくなる部分である。

曲線部ＣＬは、直線部ＳＬの先端に連なる部分である。本実施形態において、曲線部ＣＬの後端の位置は、軸線ＣＡの方向において、棚部５６の先端よりも後端側に設けられているとともに、棚部５６の後端よりも先端側に設けられている。また、本実施形態において、曲線部ＣＬの後端は、棚部５６の先端よりも径方向の内側に設けられている。

曲線部ＣＬは、軸線ＣＡを含む断面において、曲率半径が０．０５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下となるように、軸線ＣＡの方向に沿って先端側に向かうにつれて外径が小さくなる部分である。曲線部ＣＬの曲率中心は、絶縁体１０よりも主体金具５０側に位置する。つまり、曲線部ＣＬは、軸線ＣＡを含む断面において、主体金具５０から絶縁体１０に向かう方向に凸となるような曲線を描く部分である。本明細書において、曲率半径は、軸線ＣＡに垂直な方向から曲線部ＣＬに光を投射させ、投影された曲線部ＣＬの像からＲ測定用紙を用いて測定した値とする。

以上に説明したとおり、本実施形態のスパークプラグ１００は、軸線ＣＡの方向において、絶縁体１０の先端が、主体金具５０の先端よりも後端側に設けられている。つまり、絶縁体１０の先端が主体金具５０の先端よりも突出しない構成となっている。このため、スパークプラグ１００がエンジンヘッド９０に設置され、エンジンが起動している状態においても、エンジン内の爆発に起因する絶縁体１０への径方向における衝撃を緩和できる。この結果として、この衝撃に起因する絶縁体１０の割れを抑制できる。

さらに、本実施形態のスパークプラグ１００の絶縁体１０は、軸線ＣＡを含む断面において、曲率半径が０．０５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下となるように、軸線ＣＡの方向に沿って先端側に向かうにつれて外径が小さくなる曲線部ＣＬを有する。

曲線部ＣＬが無い場合、係止部１５と脚長部１３との境界部分にパッキン６８からの応力が集中する。しかし、本実施形態によれば、曲率半径が０．０５ｍｍ以上である曲線部ＣＬを有することにより、絶縁体１０の特定の部分に応力が集中することを抑制できるため、振動や衝撃を絶縁体１０が受けた場合においても絶縁体１０が割れることを抑制できる。

また、一般に、スパークプラグ１００がエンジンヘッド９０に設置され、エンジン内が高熱になると、主体金具５０やパッキン６８が熱膨張することにより、絶縁体１０への圧縮応力が発生する。そして、この圧縮応力により絶縁体１０の割れが発生する虞がある。特に、エンジンの中心に近いほど温度が高くなるため、スパークプラグ１００の後端側よりも先端側のほうの温度がより高くなる。この結果として、パッキン６８から絶縁体１０への圧縮応力は先端に行くほど大きくなるため、絶縁体の割れは後端側よりも先端側において発生しやすい。

しかし、本実施形態のスパークプラグ１００は、曲率半径が０．３０ｍｍ以下である曲線部ＣＬを有することにより、主体金具５０と絶縁体１０との隙間を確保できる。このため、本実施形態によれば、主体金具５０やパッキン６８が熱膨張した場合においても絶縁体１０への圧縮応力を緩和できることにより、絶縁体１０の割れを抑制できる。また、上述のように本実施形態のスパークプラグ１００は、軸線ＣＡの方向において、絶縁体１０の先端が、主体金具５０の先端よりも後端側に設けられている。このため、軸線ＣＡの方向において、絶縁体１０の先端が、主体金具５０の先端よりも突出する構成と比較して、本実施形態によれば、エンジン内の爆発による衝撃に起因する絶縁体１０の割れを抑制できるため、曲線部ＣＬの曲率半径を小さい値に設定できる。つまり、絶縁体１０と主体金具５０との間の隙間をより広く確保することができる。この結果として、本実施形態のスパークプラグ１００によれば、主体金具５０やパッキン６８の熱膨張に起因する絶縁体１０の割れを抑制できる。絶縁体１０への圧縮応力を緩和する観点から、曲線部ＣＬにおける曲率半径は、０．２０ｍｍ以下であることが好ましく、０．１０以下であることがより好ましい。

近年、車両の軽量化によるエンジンの小型化の影響等により、エンジンに設置するスパークプラグの小径化が求められている。一般的に、スパークプラグの径を小さくするほど、絶縁体の径も小さくなる傾向にあるため、絶縁体に割れが発生した場合の悪影響が大きくなる。このため、本実施形態のスパークプラグ１００は、このような小径化されたスパークプラグに特に好適に用いることができる。

以下、本実施形態のスパークプラグ１００により得られる効果について、実験結果を用いて説明する。

図３は、振動試験の結果を示す図である。本試験では、曲線部ＣＬの曲率半径Ｒが互いに異なる絶縁体を備えるスパークプラグを複数作製した上で、振動試験として、スパークプラグに約４０００Ｇの重力がかかるように１０分間振動させる試験を行った。図３において、縦軸は振動試験後の絶縁体の割れ率（％）を示し、横軸は曲率半径Ｒ（ｍｍ）を示す。絶縁体の割れ率が小さいほど、振動による絶縁体の割れの発生が少ないため、好ましい。

図３の結果から以下のことが分かった。つまり、曲率半径Ｒが０ｍｍの場合に比べ、曲率半径Ｒが０．０３ｍｍの場合に飛躍的に振動試験後の絶縁体の割れ率が小さくなり、曲率半径Ｒが０．０５ｍｍ以上の場合に振動試験後の絶縁体の割れ率が０％となることが分かった。

図４は、冷熱試験の結果を示す図である。本試験では、曲率半径Ｒが互いに異なる絶縁体を備えるスパークプラグを複数作製した上で、冷熱試験として、スパークプラグを２００℃まで加熱した後にスパークプラグを−５０℃まで冷却する処理を１サイクルとして、６０サイクル施す試験を行った。図４において、縦軸は冷熱試験後の絶縁体の割れ率（％）を示し、横軸は曲率半径Ｒ（ｍｍ）を示す。絶縁体の割れ率が小さいほど、温度差による絶縁体の割れの発生が少ないため、好ましい。

図４の結果から以下のことが分かった。つまり、曲率半径Ｒが０．５ｍｍの場合に比べ、曲率半径Ｒが０．３０ｍｍの場合に飛躍的に振動試験後の絶縁体の割れ率が小さくなることが分かった。さらに、曲率半径Ｒが０．２０ｍｍ以下の場合に振動試験後の絶縁体の割れ率がより小さくなり、曲率半径Ｒが０．１０ｍｍ以下の場合に振動試験後の絶縁体の割れ率がさらに小さくなることが分かった。

図５は、衝撃試験の結果を示す図である。本試験では、曲率半径Ｒが互いに異なる絶縁体を備えるスパークプラグを複数作製した上で、衝撃試験として、スパークプラグの径方向からスパークプラグに衝撃を与える試験を行った。縦軸は衝撃試験での絶縁体強度（以下、「衝撃強度」とも呼ぶ）を示し、横軸は曲率半径Ｒ（ｍｍ）を示す。縦軸の衝撃強度は、曲率半径Ｒが０．３ｍｍである場合を１とした場合の相対値を示す。衝撃強度が大きいほど、衝撃による絶縁体の割れの発生が少なくなるため、好ましい。

図５の結果から以下のことが分かった。つまり、曲率半径Ｒが０．０５ｍｍの場合、曲率半径Ｒが０．３０ｍｍの場合の約３分の２の衝撃強度を備えるとともに、曲率半径Ｒを０．３０ｍｍよりも大きくしても、衝撃強度は飛躍的には向上しないことが分かった。

以上説明した実験結果からも、本実施形態のスパークプラグ１００によれば、絶縁体１０の割れを抑制できることが分かった。

Ｂ．他の実施形態：
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

上述の実施形態において、脚長部１３は、軸線ＣＡの方向に沿って先端側に向かうにつれて外径が小さくなるが、これに限られず、外径が一定であってもよい。

１０…絶縁体
１２…第１貫通孔
１３…脚長部
１４…軸孔内段部
１５…係止部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…中央胴部
２０…中心電極
２１…電極部材
２２…芯材
２３…鍔部
２６…第２貫通孔
３０…接地電極
３１…チップ
３２…基端
３３…対向部
３６…基端部
３８…屈曲部
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…取付ネジ部
５３…加締部
５４…シール部
５６…棚部
５７…端面
５８…圧縮変形部
６３…セラミック抵抗
６４…シール体
６５…ガスケット
６６，６７…リング部材
６８…パッキン
６９…タルク
９０…エンジンヘッド
９３…取付ネジ孔
１００…スパークプラグ
ＣＡ…軸線
ＣＬ…曲線部
Ｒ…曲率半径
Ｓ１…対向面
ＳＬ…直線部

Claims

軸線の方向に沿って第１貫通孔が形成され、前記軸線の方向に沿って先端側に向かうにつれて外径が小さくなる係止部を有する絶縁体と、
前記軸線の方向に沿って第２貫通孔が形成され、前記第２貫通孔内において前記軸線の方向に沿って先端側に向かうにつれて内径が小さくなる棚部によって、パッキンを介して前記係止部を係止した状態で前記絶縁体を保持する主体金具と、
を備えるスパークプラグであって、
前記軸線の方向において、前記絶縁体の先端は、前記主体金具の先端よりも後端側に設けられており、
前記軸線を含む断面において、
前記係止部は、
前記軸線の方向に沿って先端側に向かうにつれて一定の割合で外径が小さくなる直線部と、
前記直線部の先端に連なり、曲率半径が０．０５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下となるように、前記軸線の方向に沿って先端側に向かうにつれて外径が小さくなる曲線部と、を有す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であって、
前記曲率半径が０．０５ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下であることを特徴とする、スパークプラグ。
請求項１又は請求項２に記載のスパークプラグであって、
前記曲率半径が０．０５ｍｍ以上０．１０ｍｍ以下であることを特徴とする、スパークプラグ。