JP6925301B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明はスパークプラグに関し、特に中心電極と接地電極との間に火花ギャップが形成されるスパークプラグに関するものである。

エンジンに固定される主体金具と、主体金具に絶縁保持される中心電極と、主体金具に接続され火花ギャップを介して中心電極に対向する接地電極と、を備えるスパークプラグが知られている（特許文献１）。この種のスパークプラグは、中心電極と接地電極との間の絶縁が破れると、火花ギャップに火炎核が生じ、火炎が成長することにより可燃混合気に着火する。

特開２０１４−４１７００号公報

この技術に対し、火炎の成長を促進させて着火性を向上させる技術が求められている。

本発明はこの要求に応えるためになされたものであり、着火性を向上できるスパークプラグを提供することを目的としている。

この目的を達成するために本発明のスパークプラグは、先端側から後端側へと軸線の方向へ延びる軸孔を有する絶縁体と、軸孔の先端側に配置された中心電極と、絶縁体を内側に保持する筒状の主体金具と、主体金具に自身の他端部が接続され一端部が中心電極と軸線の方向に火花ギャップを形成する棒状の接地電極と、を備える。接地電極は、火花ギャップを介して中心電極の先端面に対向する放電面を有する内面と、内面に接続され一端部側から他端部側へ延びる第１面および第２面と、を備え、接地電極には、第１面から第２面まで通じる貫通孔が形成され、又は、内面以外のいずれかの面に第１面から第２面まで通じる溝が形成される。第１面に形成された第１開口および第２面に形成された第２開口のうち少なくとも第１開口は、軸線の方向において、自身の少なくとも一部が、中心電極の先端よりも先端側に位置する。

また、本発明のスパークプラグは、先端側から後端側へと軸線の方向へ延びる軸孔を有する絶縁体と、軸孔の先端側に配置され、自身の先端が絶縁体の先端よりも先端側に位置する中心電極と、絶縁体を内側に保持する筒状の主体金具と、主体金具に自身の他端部が接続され一端部が軸線と直交する方向に中心電極と火花ギャップを形成する棒状の接地電極と、を備える。接地電極は、火花ギャップを介して中心電極の側面に対向する先端面と、先端面に接続され少なくとも一端部において後端側を向く内面と、先端面および内面に接続され一端部側から他端部側へ延びる第１面および第２面と、を備え、接地電極には、第１面から第２面まで通じる貫通孔が形成され、又は、先端面以外のいずれかの面に第１面から第２面まで通じる溝が形成される。第１面に形成された第１開口および第２面に形成された第２開口のうち少なくとも第１開口は、軸線の方向において、自身の少なくとも一部が、絶縁体の先端よりも先端側に位置する。

請求項１記載のスパークプラグによれば、燃焼室内に生じる流れの下流側に接地電極の第１面が向くようにスパークプラグをエンジンに取り付けることにより、第２開口から流入した気流が第１開口から出てきて火炎を吹き流すので、火炎の成長が促進され、着火性を向上できる。

請求項２記載のスパークプラグによれば、第１面に垂直な方向から接地電極を見たときに、第１開口の少なくとも一部は、軸線と直交する方向において、中心電極の先端面が位置する範囲内に存在する。火花ギャップのうち中心電極の先端面が位置する範囲は火炎核が発生し易いので、その近くに第１開口を設けることにより、請求項１の効果に加え、火炎を吹き流し易くできる。

請求項３記載のスパークプラグによれば、第１面に垂直な方向から接地電極を見たときに、第１開口の全部が、軸線と直交する方向において、その範囲内に存在するので、請求項２の効果に加え、さらに火炎を吹き流し易くできる。

請求項４記載のスパークプラグによれば、第１開口の中心は、内面に接続される第１面の第１縁までの距離と、第１縁の反対側に位置する第１面の第２縁までの距離と、が等しい第１面上の点の集合である仮想線よりも第１縁の近くに位置する。放電面の近くに気流を導き易くできるので、請求項１から３のいずれかの効果に加え、火炎を吹き流し易くできる。

請求項５記載のスパークプラグによれば、請求項１と同様の効果がある。

第１実施の形態におけるスパークプラグの片側断面図である。 スパークプラグの側面図である。 スパークプラグの斜視図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線におけるスパークプラグの断面図である。 第２実施の形態におけるスパークプラグの側面図である。 第３実施の形態におけるスパークプラグの側面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は第１実施の形態におけるスパークプラグ１０の軸線Ｏを境にした片側断面図である。図１では、紙面下側をスパークプラグ１０の先端側、紙面上側をスパークプラグ１０の後端側という（図２から図６においても同じ）。図１に示すようにスパークプラグ１０は、絶縁体１１、中心電極２０、主体金具３０及び接地電極４０を備えている。

絶縁体１１は、軸線Ｏに沿う軸孔１２が形成された略円筒状の部材であり、機械的特性や高温下の絶縁性に優れるアルミナ等のセラミックスにより形成されている。絶縁体１１は、軸孔１２により形成された内周面の先端側に、後端側を向く円環状の面である後端向き面１３が形成されている。後端向き面１３は先端側へ向けて縮径している。

中心電極２０は、頭部２１が後端向き面１３に係止される棒状の部材であり、後端向き面１３よりも先端側の軸孔１２に軸部２２が配置されている。中心電極２０は、Ｎｉを主成分とする有底円筒状の電極母材が、銅を主成分とする芯材を覆っている。芯材を省略することは可能である。中心電極２０は、軸孔１２内で端子金具２５と電気的に接続されている。

端子金具２５は、高圧ケーブル（図示せず）が接続される棒状の部材であり、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成されている。端子金具２５は、先端側が軸孔１２に挿入された状態で、絶縁体１１の後端に固定されている。

主体金具３０は、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成された略円筒状の部材である。主体金具３０は絶縁体１１の先端側を取り囲み、絶縁体１１を内側に保持する。主体金具３０は、自身の先端側の胴部３１の外周面におねじ３２が形成されている。おねじ３２は、エンジン（図示せず）のねじ穴に螺合する部位である。主体金具３０は、胴部３１の後端側に連接される座部３３と、座部３３の後端側に連接される工具係合部３４と、を備えている。

座部３３は、エンジン（図示せず）のねじ穴とおねじ３２との隙間を塞ぐための部位であり、胴部３１の外径よりも外径が大きく形成されている。工具係合部３４は、エンジンのねじ穴におねじ３２を締め付けるときに、レンチ等の工具を係合させる部位である。主体金具３０は、胴部３１に接地電極４０が接続されている。

接地電極４０は、導電性を有する金属材料（例えばＮｉ基合金等）によって形成された棒状の部材である。接地電極４０は一端部４１が中心電極２０と対向し、他端部４２が主体金具３０に接続されている。

図２はスパークプラグ１０の側面図であり、図３はスパークプラグ１０の斜視図である。図２及び図３ではスパークプラグ１０の後端側の図示が省略されている。図２の矢印Ａ方向は軸線Ｏ（図１参照）の方向を示し、矢印Ｐ方向は軸線Ｏと直交する方向を示す（図４から図６においても同じ）。図２に示すように、接地電極４０の一端部４１の放電面４３と中心電極２０の先端面２３との間には、軸線方向（矢印Ａ方向）に火花ギャップＧが形成されている。

図３に示すように、接地電極４０は、一端部４１に放電面４３を有する内面４４と、内面４４に接続される第１面４５と、第１面４５の反対側の面であって内面４４に接続される第２面４８と、第１面４５及び第２面４８に接続され内面４４の反対側に位置する外面４９と、内面４４、第１面４５、第２面４８及び外面４９に接続される先端面５０と、を備えている。第１面４５は、内面４４に接続される第１縁４６と外面４９に接続される第２縁４７との間に挟まれている。内面４４、第１面４５、第２面４８及び外面４９は、先端面５０のある一端部４１側から他端部４２側へ延びている。

接地電極４０には、第１面４５から第２面４８まで通じる貫通孔５１が形成されている。貫通孔５１は、第１面４５に第１開口５２を形成し、第２面４８に第２開口５３を形成する。本実施形態では第１開口５２及び第２開口５３は円形である。

図２に示すように、第１面４５に垂直な方向（図２紙面に垂直な方向）から接地電極４０を見たときに、第１開口５２の少なくとも一部は、軸線Ｏと直交する方向（矢印Ｐ方向）において、中心電極２０の先端面２３が存在する範囲５６内に存在する。本実施形態では、第１開口５２の全部が範囲５６内に存在する。第１開口５２と同様に、第２開口５３の全部が範囲５６内に存在する。

第１開口５２は、少なくとも一部が、軸線方向（矢印Ａ方向）において、中心電極２０の先端面２３（先端）よりも先端側の範囲５７内に位置する。本実施形態では、第１開口５２の全部が範囲５７内に位置する。また、第１開口５２の中心５４は、第１縁４６（図３参照）までの距離と第２縁４７（図３参照）までの距離とが等しい第１面４５上の仮想線５５よりも第１縁４６の近くに位置する。

図４は図２のＩＶ−ＩＶ線におけるスパークプラグ１０の断面図である。スパークプラグ１０は、燃焼室内に生じる気流（混合気の流れ）の上流側に接地電極４０の第２面４８が向き、下流側に第１面４５が向くようにエンジン（図示せず）に取り付けられる。第２開口５３から貫通孔５１内に入った気流は、第１開口５２から出る。

第１開口５２は、少なくとも一部が、中心電極２０の先端面２３（先端）よりも軸線方向（矢印Ａ方向）の先端側に位置するので、中心電極２０の先端面２３と接地電極４０の放電面４３との間に生じた火炎核が成長した火炎５８は、第１開口５２から出てくる気流によって下流側に吹き流される。これにより、接地電極４０に気流が妨げられないようにできるので、第１開口５２から出てくる気流によって火炎５８の成長を促進し、着火性を向上できる。また、第１開口５２から出てくる気流が接地電極４０から火炎５８を遠ざけ、接地電極４０による消炎作用を抑制するので、火炎５８を大きく成長させることができる。特に本実施形態では、第１開口５２の全部が範囲５７内に位置するので、火炎５８が流れの影響をさらに受け易くなり、着火性を向上できる。

第１開口５２は円形なので、第１開口５２に生じる過大な応力集中を抑制できる。よって、第１開口５２を起点とするクラックの発生を抑制し、接地電極４０の耐久性の低下を抑制できる。また、第２開口５３は円形なので、第１開口５２と同様に応力集中を抑制し、接地電極４０の耐久性の低下を抑制できる。

接地電極４０に形成された貫通孔５１により第１開口５２及び第２開口５３が作られるので、貫通孔５１に集めた気流を第１開口５２から流出させることができる。その結果、溝によって第１開口や第２開口が形成される場合に比べ、第１開口５２から流出する気流の速度を上げることができる。よって、火花ギャップＧ間の火花を吹き流し易くできる。

火花ギャップＧのうち中心電極２０の先端面２３が位置する範囲５６は火炎核が発生し易い。そのため、第１面４５に垂直な方向から接地電極４０を見たときに、軸線Ｏと直交する方向（矢印Ｐ方向）において、第１開口５２の少なくとも一部を範囲５６内に存在させることにより、火花ギャップＧで火炎核が成長した火炎を吹き流し易くできる。よって、着火性を向上できる。

本実施形態では、第１開口５２の全部が範囲５６内に存在するので、さらに火炎が下流側に吹き流れ易くなり、着火性をさらに向上できる。さらに、第２開口５３の全部が範囲５６内に存在するので、第２開口５３が範囲５６内に存在しない場合に比べ、貫通孔５１の内壁による損失を小さくできる。その結果、第１開口５２から流出する気流の速度を上げることができるので、火花ギャップＧ間の火花を吹き流し易くできる。

第１開口５２の中心５４は、仮想線５５よりも第１縁４６の近くに位置するので、火炎核が発生し易い放電面４３の近くに第１開口５２から気流を導き易くできる。よって、火炎の吹き流れを促進し、着火性を向上できる。

図５を参照して第２実施の形態について説明する。第１実施形態では、接地電極４０に貫通孔５１が形成される場合について説明した。これに対し第２実施形態では、接地電極４０に溝６１が形成される場合について説明する。なお、第１実施形態で説明した部分と同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。図５は第２実施の形態におけるスパークプラグ６０の側面図である。

図５に示すように、接地電極４０の先端面５０には、第１面４５から第２面４８まで通じる溝６１が形成されている。溝６１は、第１面４５に第１開口６２を形成し、第２面４８に第２開口６３を形成する。第１開口６２の少なくとも一部は、軸線方向（矢印Ａ方向）において、中心電極２０の先端面２３（先端）よりも先端側（範囲５７内）に位置する。本実施形態では、第１開口６２の全部が範囲５７内に位置する。

スパークプラグ６０が、燃焼室内に生じる気流（混合気の流れ）の上流側に接地電極４０の第２面４８を向け、下流側に第１面４５が向くようにエンジン（図示せず）に取り付けられると、溝６１内に入った気流は第１開口６２から出る。中心電極２０の先端面２３と接地電極４０の放電面４３との間に生じた火炎核が成長した火炎（図示せず）は、第１開口６２から出てくる気流によって下流側に吹き流される。これにより、火炎の成長を促進し、着火性を向上できる。

第１開口６２の少なくとも一部は、第１面４５に垂直な方向（図５紙面に垂直な方向）から接地電極４０を見たときに、軸線Ｏと直交する方向（矢印Ｐ方向）において、中心電極２０の先端面２３が存在する範囲５６内に存在する。よって、火花ギャップＧに生じた火炎核が成長した火炎を吹き流れ易くできる。よって、着火性を向上できる。

第１開口６２の中心６４は、仮想線５５よりも第１縁４６（図３参照）の近くに位置するので、火炎核が発生し易い放電面４３の近くに第１開口６２から気流を導き易くできる。よって、火炎の吹き流れを促進し、着火性を向上できる。なお、第１開口６２の中心６４は、第１開口６２を図形（本実施形態では半円状の扇形）として捉えた場合の図形の重心と一致する。

図６を参照して第３実施の形態について説明する。第１実施形態および第２実施形態では、中心電極２０に対して接地電極４０が軸線Ｏの方向に離間し、その間に火花ギャップＧが形成される場合について説明した。これに対し第３実施形態では、中心電極２０に対して接地電極８０が軸線Ｏと直交する方向に離間し、その間に火花ギャップＧが形成される場合について説明する。なお、第１実施形態で説明した部分と同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。図６は第３実施の形態におけるスパークプラグ７０の側面図である。図６には、接地電極８０の第１面８５側から見たスパークプラグ７０が図示されている。

図６に示すようにスパークプラグ７０は、主体金具３０に複数の接地電極８０が接続されている。本実施形態では、２つの接地電極８０が中心電極２０を挟んで配置されている。接地電極８０は、導電性を有する金属材料（例えばＮｉ基合金等）によって形成された棒状の部材である。接地電極８０は、一端部８１の先端面８３が中心電極２０の側面２４と対向し、他端部８２が主体金具３０に接続されている。接地電極８０の先端面８３と中心電極２０の側面２４との間には、軸線と直交する方向（矢印Ｐ方向）に火花ギャップＧが形成されている。

接地電極８０は、先端面８３に接続され少なくとも一端部８１において後端側（図６上側）を向く内面８４と、内面８４に接続される第１面８５と、第１面８５の反対側の面であって内面８４に接続される第２面８６と、第１面８５及び第２面８６に接続され内面８４の反対側に位置する外面８７と、を備えている。先端面８３は、内面８４、第１面８５、第２面８６及び外面８７に接続されている。内面８４、第１面８５、第２面８６及び外面８７は、先端面８３のある一端部８１側から他端部８２側へ延びている。

接地電極８０（図６左側）の外面８７には、第１面８５から第２面８６まで通じる溝８８が形成されている。溝８８は、第１面８５に第１開口８９を形成し、第２面８６に第２開口９０を形成する。第１開口８９の少なくとも一部は、軸線方向（矢印Ａ方向）において、絶縁体１１の先端１４よりも先端側（図６下側）の範囲９４内に位置する。本実施形態では、第１開口８９の全部が範囲９４内に位置する。

接地電極８０（図６右側）には、第１面８５から第２面８６まで通じる貫通孔９１が形成されている。貫通孔９１は、第１面８５に第１開口９２を形成し、第２面８６に第２開口９３を形成する。第１開口９２の少なくとも一部は、軸線方向（矢印Ａ方向）において、絶縁体１１の先端１４よりも先端側（図６下側）の範囲９４内に位置する。本実施形態では、第１開口９２の全部が範囲９４内に位置する。

スパークプラグ７０が、燃焼室内に生じる気流（混合気の流れ）の上流側に接地電極８０の第２面８６を向け、下流側に第１面８５が向くようにエンジン（図示せず）に取り付けられると、溝８８や貫通孔９１の中に入った気流は、それぞれ第１開口８９，９２から出る。中心電極２０の側面２４と接地電極８０の先端面８３との間に生じた火炎核が成長した火炎（図示せず）は、第１開口８９，９２から出てくる気流によって下流側（図６紙面手前側）に吹き流される。これにより、火炎の成長を促進し、着火性を向上できる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

第１実施形態では、先端面５０と第１開口５２との間の距離と先端面５０と第２開口５３との間の距離とが同一の場合について説明した。また第３実施形態では、先端面８３と第１開口８９，９２と先端面８３と第２開口９０，９３との距離が同一の場合について説明した。しかし、必ずしもこれに限られるものではない。第２開口５３，９０，９３の位置は、第２面４８，８６が上流側を向くようにスパークプラグがエンジンに取り付けられたときに、燃焼室内の可燃混合気が進入できる位置に適宜設定できる。

第１実施形態および第３実施形態では、貫通孔５１，９１が作る第１開口５２，９２及び第２開口５３，９３が円形の場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。第１開口５２，９２や第２開口５３，９３の形は矩形等の多角形、楕円形など適宜設定できる。

第１実施形態および第３実施形態では、第２開口５３，９３の全周が第２面４８，８６に存在し、第１開口５２，９２の全周が第１面４５，８５に存在する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。第１開口５２や第２開口５３の一部が内面４４や外面４９、先端面５０に存在したり、第１開口９２や第２開口９３の一部が内面８４や外面８７に存在したりすることは当然可能である。

第２実施形態および第３実施形態では、溝６１，８８が作る第１開口６２，８９及び第２開口６３，９０が円弧状の場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。第１開口６２，８９や第２開口６３，９０の形は角張っていても構わない。

第２実施形態では、接地電極４０の先端面５０に溝６１が形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。溝６１は、接地電極４０の放電面４３以外であれば、内面４４や外面４９に形成できる。

第３実施形態では、接地電極８０の外面８７に溝８８が形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。溝８８は、接地電極８０の先端面８３以外であれば、内面８４に形成できる。

第３実施形態では、接地電極８０の片方に溝８８が形成され、もう片方の接地電極８０に貫通孔９１が形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。接地電極８０の両方に溝を形成したり貫通孔を形成したりすることは当然可能である。

実施形態では、中心電極２０及び接地電極４０に、貴金属などを含有するチップが接続されていない場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。中心電極２０や接地電極４０にチップを接合することは当然可能である。チップが先端に接合された中心電極２０をもつスパークプラグの場合には、中心電極の先端面とは、チップの先端面のことをいう。

１０，６０，７０ スパークプラグ
１１ 絶縁体
１２ 軸孔
１４ 絶縁体の先端
２０ 中心電極
２３ 先端面（中心電極の先端）
２４ 側面
３０ 主体金具
４０，８０ 接地電極
４１，８１ 一端部
４２，８２ 他端部
４３ 放電面
４４，８４ 内面
４５，８５ 第１面
４６ 第１縁
４７ 第２縁
４８，８６ 第２面
５１，９１ 貫通孔
５２，９２ 第１開口
５３，９３ 第２開口
５５ 仮想線
５６ 範囲
６１，８８ 溝
６２，８９ 第１開口
６３，９０ 第２開口
８３ 先端面
Ｇ 火花ギャップ
Ｏ 軸線

Claims (5)

1. 先端側から後端側へと軸線の方向へ延びる軸孔を有する絶縁体と、
   前記軸孔の先端側に配置された中心電極と、
   前記絶縁体を内側に保持する筒状の主体金具と、
   前記主体金具に自身の他端部が接続され一端部が前記中心電極と前記軸線の方向に火花ギャップを形成する棒状の接地電極と、を備えるスパークプラグであって、
   前記接地電極は、前記火花ギャップを介して前記中心電極の先端面に対向する放電面を有する内面と、前記内面に接続され前記一端部側から前記他端部側へ延びる第１面および第２面と、を備え、
   前記接地電極には、前記第１面から前記第２面まで通じる貫通孔が形成され、又は、前記内面以外のいずれかの面に前記第１面から前記第２面まで通じる溝が形成され、
   前記第１面に形成された第１開口および前記第２面に形成された第２開口のうち少なくとも第１開口は、前記軸線の方向において、自身の少なくとも一部が、前記中心電極の先端よりも先端側に位置するスパークプラグ。
2. 前記第１面に垂直な方向から前記接地電極を見たときに、前記第１開口の少なくとも一部は、前記軸線と直交する方向において、前記中心電極の前記先端面が位置する範囲内に存在する請求項１記載のスパークプラグ。
3. 前記第１面に垂直な方向から前記接地電極を見たときに、前記第１開口の全部が、前記軸線と直交する方向において、前記範囲内に存在する請求項２記載のスパークプラグ。
4. 前記第１開口の中心は、前記内面に接続される前記第１面の第１縁までの距離と、前記第１縁の反対側に位置する前記第１面の第２縁までの距離と、が等しい前記第１面上の点の集合である仮想線よりも前記第１縁の近くに位置する請求項１から３のいずれかに記載のスパークプラグ。
5. 先端側から後端側へと軸線の方向へ延びる軸孔を有する絶縁体と、
   前記軸孔の先端側に配置され、自身の先端が前記絶縁体の先端よりも先端側に位置する中心電極と、
   前記絶縁体を内側に保持する筒状の主体金具と、
   前記主体金具に自身の他端部が接続され一端部が前記軸線と直交する方向に前記中心電極と火花ギャップを形成する棒状の接地電極と、を備えるスパークプラグであって、
   前記接地電極は、前記火花ギャップを介して前記中心電極の側面に対向する先端面と、前記先端面に接続され少なくとも前記一端部において後端側を向く内面と、前記先端面および前記内面に接続され前記一端部側から前記他端部側へ延びる第１面および第２面と、を備え、
   前記接地電極には、前記第１面から前記第２面まで通じる貫通孔が形成され、又は、前記先端面以外のいずれかの面に前記第１面から前記第２面まで通じる溝が形成され、
   前記第１面に形成された第１開口および前記第２面に形成された第２開口のうち少なくとも第１開口は、前記軸線の方向において、自身の少なくとも一部が、前記絶縁体の前記先端よりも先端側に位置するスパークプラグ。

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