JP6986041B2

JP6986041B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP6986041B2
Application number: JP2019069854A
Authority: JP
Inventors: 奨今井
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2021-12-22
Anticipated expiration: 2039-04-01
Also published as: DE102020204234A1; CN111799657A; JP2020170588A; CN111799657B; US10790639B1; US20200313402A1

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対する点火用のスパークプラグの取り付け動作は、スパークプラグの主体金具の外表面に形成されたネジ部を、エンジンヘッドに設けられた雌ネジに螺合させることにより行なわれる。そして、一般に、ネジ部の有効径は一様となっている（例えば、特許文献１）。

特開２０１５−２２５７７４号公報

また、一般に、ネジ部を長くするほど、エンジンのウォータージャケットを配置する場所の自由度が高まるため、好ましい。しかし、ネジ部の有効径を一様とした場合、ネジ部の長さが長くなるほど、ネジ部がエンジンヘッドと接する面積が増える結果、単位面積あたりの面圧は低下する。このため、エンジンの燃焼サイクルによる振動を受けた際に、ネジ部が長くなるほど、スパークプラグが緩みやすくなるという課題があった。

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。このスパークプラグは、外周に雄ネジが形成された取付ネジ部を有する筒状の主体金具を備え、前記主体金具の軸線に沿った方向において、前記取付ネジ部の中央よりも後端側に、前記雄ネジの有効径が最大となる有効径最大部が存在し、前記有効径最大部よりも先端側に、前記有効径が極大となる有効径極大部が存在することを特徴とする。一般に、主体金具は、後端側に比べて先端側のほうがエンジン内からの熱を受けやすいため膨張する傾向にある。しかし、この形態のスパークプラグによれば、スパークプラグをエンジンヘッドに固定した場合に、有効径最大部において面圧が大きくなるとともに、有効径最大部よりも先端側にある有効径極大部が熱膨張することにより有効径極大部においても面圧が大きくなる。このため、スパークプラグのぐらつきを抑制することとなる結果、スパークプラグの緩みを抑制できる。

（２）上記形態のスパークプラグにおいて、前記軸線に沿った方向において、前記取付ネジ部の中央よりも先端側に、前記有効径極大部が存在してもよい。この形態のスパークプラグによれば、取付ネジ部の中央よりも後端側に有効径極大部が存在する場合と比較して、有効径最大部と有効径極大部との距離が長くなり、エンジンヘッドと接触する位置同士の距離が遠くなる。このため、スパークプラグのぐらつきを抑制することとなる結果、より効果的にスパークプラグの緩みを抑制できる。

（３）上記形態のスパークプラグにおいて、前記軸線に沿った方向における前記取付ネジ部の長さは、２６．５ｍｍ以上であってもよい。この形態のスパークプラグによれば、一般に緩みが生じやすい傾向にある取付ネジ部の長さが長い形態のスパークプラグに、好適に使用できる。

（４）上記形態のスパークプラグにおいて、さらに、前記主体金具の内周に配置されており、軸孔を有する絶縁体と、前記軸孔に配置されており、外周側に張り出した鍔部を備える中心電極と、を備え、前記絶縁体は、前記軸孔において内周側に張り出した軸孔内段部を備え、前記軸孔内段部は、前記鍔部と接しており、前記軸線に沿った方向において、前記有効径極大部は、前記軸孔内段部が前記鍔部と接する部分の後端よりも先端側に存在してもよい。この形態のスパークプラグによれば、エンジン内からの熱が有効径極大部を経由して効率的に主体金具から放出されるため、熱引きが良好となる。

（５）上記形態のスパークプラグにおいて、さらに、前記主体金具の内周に配置されており、軸孔を有する絶縁体を備え、前記絶縁体は、外周に張り出す絶縁体段部を備え、前記主体金具は、内周に張り出す金具内段部を備え、前記絶縁体段部は、パッキンを介して前記金具内段部と接しており、前記軸線に沿った方向において、前記有効径極大部は、前記金具内段部の後端よりも先端側に存在してもよい。この形態のスパークプラグによれば、エンジン内からの熱が有効径極大部を経由して効率的に主体金具から放出されるため、熱引きが良好となる。

（６）上記形態のスパークプラグにおいて、前記軸線に沿った方向において、前記有効径極大部は、前記金具内段部の位置に存在してもよい。この形態のスパークプラグによれば、エンジン内からの熱が有効径極大部を経由して効率的に主体金具から放出されるため、熱引きが良好となる。

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。取付ネジ部における雄ネジの有効径の変位を示す図。スパークプラグにおける有効径最大部及び有効径極大部の位置関係を説明する図。第２実施形態における雄ネジの有効径の変位を示す図。

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に沿った軸孔１２を有する絶縁体１０と、軸孔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。

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の一部を収容する軸孔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、中心電極２０側へ向かうほど外径が小さくなる脚長部１３が形成されている。

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筒状の金具である。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、タルク６９が軸線ＣＡ方向に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には、内周に張り出した金具内段部５６が形成されている。なお、軸線ＣＡに沿った方向において、金具内段部５６の後端の位置をＰ２とする。また、絶縁体１０には、脚長部１３の後端に位置し、外周に張り出した絶縁体段部１５が形成されている。主体金具５０の内周において、金具内段部５６は、環状のパッキン６８を介して、絶縁体段部１５と接している。このパッキン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、パッキンとしては、板パッキンを用いる。

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の軸孔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。なお、軸線ＣＡに沿った方向において、絶縁体１０の軸孔内段部１４が中心電極２０の鍔部２３と接する部分における後端の位置をＰ１とする。

接地電極３０は、ニッケルを主成分とした合金によって形成されている。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から先端側に向かって軸線ＣＡに沿って延び、先端部３３の一側面が中心電極２０の先端面に対向するように、その中間部分が屈曲されている。接地電極３０の先端部３３の中心電極２０側を向く面には、貴金属チップ３１が設けられている。貴金属チップ３１は、自身と中心電極２０との間に火花放電のための隙間を形成する。貴金属チップ３１は、例えば、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウムあるいはこれらの合金によって形成されている。

図２は、取付ネジ部５２における雄ネジの有効径の変位を示す図である。図２では、有効径の変位を破線で示し、参考のために雄ネジのネジ山の形状を実線で示す。内容の理解を容易にする観点から、破線で示された有効径の変位は、実際よりも変位量を大きく記載しており、絶対値としての意味は持たない。図２では、縦軸が雄ネジの有効径を示し、横軸が軸線ＣＡに沿った方向における位置を示す。ここで、本明細書において、「雄ネジの有効径」とは、ＪＩＳＢ０２０５で規定された値を示す。

図２において示すとおり、本実施形態のスパークプラグ１００において、雄ネジの有効径が最大となる部分である有効径最大部Ｄ１は、取付ネジ部５２の中央Ｃよりも後端側に存在する。ここで、「取付ネジ部５２の中央Ｃ」とは、軸線ＣＡに沿った方向において、最も先端側のネジ山及び最も後端側のネジ山から等しい距離にある位置を意味する。また、有効径最大部Ｄ１よりも先端側に、有効径が極大となる有効径極大部Ｄ２が存在する。ここで、「有効径極大部」とは、自身よりも先端側及び自身よりも後端側と比較して、有効径が大きい部分を意味する。本実施形態では、有効径最大部Ｄ１における有効径は、１１．１２５ｍｍであり、有効径極大部Ｄ２における有効径は、１１．１００ｍｍである。

本実施形態のスパークプラグ１００によれば、スパークプラグ１００がエンジンヘッド９０に固定されたときにスパークプラグ１００が緩むことを抑制できる。以下、このメカニズムについて説明する。

エンジンヘッド９０にスパークプラグ１００が固定された場合、一般に、スパークプラグ１００の後端側に比べて先端側のほうがエンジン内からの熱を受けやすい。具体的には、スパークプラグ１００の主体金具５０では、先端側は６００℃程度まで温度が上昇するのに対して、主体金具５０の後端側は１００℃程度までしか温度が上昇しない。この結果として、主体金具５０は、後端側に比べて先端側のほうが熱により膨張する。

本実施形態におけるスパークプラグ１００は、有効径最大部Ｄ１が取付ネジ部５２の中央Ｃよりも後端側に存在する。このため、エンジン内からの熱を主体金具５０が受けた場合、有効径最大部Ｄ１における熱膨張の量は比較的小さい。これに対して、有効径最大部Ｄ１よりも先端側に存在する有効径極大部Ｄ２の熱膨張の量は比較的大きくなる。この結果として、エンジンヘッド９０と接触することにより、有効径最大部Ｄ１において面圧が大きくなるとともに、有効径最大部Ｄ１よりも先端側に存在する有効径極大部Ｄ２においても面圧が大きくなる。このため、スパークプラグ１００のぐらつきを抑制することとなる結果、スパークプラグ１００が緩むことを抑制できる。

また、本実施形態におけるスパークプラグ１００の有効径極大部Ｄ２における有効径は、有効径極大部Ｄ２よりも先端側の部分と比較して大きい。このため、有効径極大部Ｄ２よりも先端側の部分において過度な熱膨張が生じることに起因して、エンジンヘッド９０の取付ネジ孔９３が損傷することを抑制できる。

さらに、図２に示すとおり、本実施形態のスパークプラグ１００では、有効径極大部Ｄ２は、取付ネジ部５２の中央Ｃよりも先端側に存在する。このようにすることにより、有効径極大部Ｄ２が中央Ｃよりも後端側に存在する場合と比較して、有効径最大部Ｄ１と有効径極大部Ｄ２との距離が長くなり、エンジンヘッド９０と接触する位置同士の距離が遠くなる。このため、スパークプラグ１００のぐらつきを効果的に抑制することとなる結果、スパークプラグ１００が緩むことをより効果的に抑制できる。

図３は、スパークプラグ１００における有効径最大部Ｄ１及び有効径極大部Ｄ２の位置関係を説明する図である。本実施形態では、軸線ＣＡに沿った方向において、有効径極大部Ｄ２は、絶縁体１０の軸孔内段部１４が中心電極２０の鍔部２３と接する部分の後端Ｐ１よりも先端側に存在する。

ここで、エンジン内からの熱を主体金具５０が受けた場合、熱は有効径最大部Ｄ１や有効径極大部Ｄ２を経由してエンジンヘッド９０に伝わることにより、主体金具５０から放出される。本実施形態によれば、有効径極大部Ｄ２は、軸孔内段部１４が鍔部２３と接する部分の後端Ｐ１よりも先端側に存在するため、後端Ｐ１よりも後端側に存在する場合と比較して、熱は有効径極大部Ｄ２を経由して効率的に主体金具５０から放出される。このため、本実施形態のスパークプラグ１００によれば、熱引きが良好となる。

また、本実施形態では、軸線ＣＡに沿った方向において、有効径極大部Ｄ２は、金具内段部５６の後端Ｐ２と同じ位置に存在する。つまり、本実施形態では、軸線ＣＡに沿った方向において、有効径極大部Ｄ２は、金具内段部５６の位置に存在する。ここで、エンジン内からの熱を絶縁体１０や中心電極２０が受けた場合、熱は、パッキン６８及び金具内段部５６を経由して、主体金具５０に伝わった後、有効径最大部Ｄ１や有効径極大部Ｄ２を経由してエンジンヘッド９０に伝わる。本実施形態によれば、軸線ＣＡに沿った方向において、有効径極大部Ｄ２は、金具内段部５６の位置に存在するため、熱は有効径極大部Ｄ２を経由して効率的に主体金具５０から放出される。このため、本実施形態のスパークプラグ１００によれば、熱引きが良好となる。

本実施形態において、軸線ＣＡに沿った方向における取付ネジ部５２の長さは、２６．５ｍｍ以上である。ここで、「取付ネジ部５２の長さ」とは、最も先端のネジ山からシール部５４の先端側の面までの長さを示す。一般に、取付ネジ部５２の長さが長くなるほど、取付ネジ部５２の雄ネジとエンジンヘッド９０の雌ネジとの接触する面積が大きくなり、緩みが生じやすい傾向になるが、この形態のスパークプラグによれば、効果的に緩みを抑制できる。なお、軸線ＣＡに沿った方向における取付ネジ部５２の長さの下限は、これに限られず、例えば、１８ｍｍ以上としてもよい。また、軸線ＣＡに沿った方向における取付ネジ部５２の長さの上限は、特に限定されないが、スパークプラグ１００の製造のしやすさの観点から、７０ｍｍ以下が好ましく、５０ｍｍ以下がより好ましい。

Ｂ．第２実施形態
図４は、第２実施形態における雄ネジの有効径の変位を示す図である。図４においても、図２と同様に、有効径の変位を破線で示し、参考のために雄ネジのネジ山の形状を実線で示す。内容の理解を容易にする観点から、破線で示された有効径の変位は、実際よりも変位量を大きく記載しており、絶対値としての意味は持たない。図４では、縦軸が雄ネジの有効径を示し、横軸が軸線ＣＡに沿った方向における位置を示す。第２実施形態では、第１実施形態と比較して、雄ネジの有効径の変位の態様が異なるが、それ以外の構成は同じである。

第１実施形態では、軸線ＣＡに沿った方向において、有効径極大部Ｄ２は、金具内段部５６の後端Ｐ２と同じ位置に存在するが、第２実施形態では、有効径極大部Ｄ２は、金具内段部５６の後端Ｐ２よりも先端側に存在する。このようにすることにより、第２実施形態によれば、エンジンからの熱を主体金具５０が受けた場合、熱は有効径極大部Ｄ２を経由して効率的に主体金具５０から放出される。このため、本実施形態のスパークプラグ１００によれば、熱引きが良好となる。

Ｃ．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。

上述の実施形態では、図２に示すとおり、主体金具５０の軸線ＣＡに沿った方向において、取付ネジ部５２の中央Ｃよりも先端側に有効径極大部Ｄ２が存在する。しかし、これに限られない。主体金具５０の軸線ＣＡに沿った方向において、有効径極大部Ｄ２は、取付ネジ部５２の中央Ｃに存在してもよく、取付ネジ部５２の中央Ｃよりも後端側に存在してもよい。

上述の実施形態では、軸線ＣＡに沿った方向において、有効径極大部Ｄ２は、絶縁体１０の軸孔内段部１４が中心電極２０の鍔部２３と接する部分の後端Ｐ１よりも先端側に存在している。しかし、これに限られず、軸線ＣＡに沿った方向において、有効径極大部Ｄ２は、後端Ｐ１と同じ位置に存在してもよく、後端Ｐ１よりも後端側に存在してもよい。

第１実施形態では、軸線ＣＡに沿った方向において、有効径極大部Ｄ２は、金具内段部５６の後端Ｐ２と同じ位置に存在する。第２実施形態では、有効径極大部Ｄ２は、金具内段部５６の後端Ｐ２よりも先端側に存在する。しかし、これに限られず、軸線ＣＡに沿った方向において、有効径極大部Ｄ２は、金具内段部５６の後端Ｐ２よりも後端側に存在していてもよい。

上述の実施形態では、図３に示すとおり、金具内段部５６は、自身よりも先端側の部分及び自身よりも後端側の部分に対して、内周に張り出している。しかし、これに限られない。金具内段部５６は、自身よりも後端側の部分に対して内周に張り出していればよい。

上述の実施形態では、軸線ＣＡに沿った方向において、絶縁体段部１５は軸孔内段部１４よりも先端側に存在する。しかし、これに限られず、軸線ＣＡに沿った方向において、絶縁体段部１５は、軸孔内段部１４と同じ位置に存在してもよく、軸孔内段部１４よりも後端側に存在してもよい。なお、スパークプラグ１００を製造する観点から、軸線ＣＡに沿った方向において、絶縁体段部１５は軸孔内段部１４よりも先端側に存在することが好ましい。

１０…絶縁体
１２…軸孔
１３…脚長部
１４…軸孔内段部
１５…絶縁体段部
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
３０…接地電極
３１…貴金属チップ
３２…基端
３３…先端部
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…金具内段部
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
Ｃ…中央
ＣＡ…軸線
Ｄ１…有効径最大部
Ｄ２…有効径極大部
Ｐ１…後端
Ｐ２…後端

Claims

外周に雄ネジが形成された取付ネジ部を有する筒状の主体金具を備え、
前記主体金具の軸線に沿った方向において、
前記取付ネジ部の中央よりも後端側に、前記雄ネジの有効径が最大となる有効径最大部が存在し、
前記有効径最大部よりも先端側に、前記有効径が極大となる有効径極大部が存在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、
前記軸線に沿った方向において、前記取付ネジ部の中央よりも先端側に、前記有効径極大部が存在する、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、
前記軸線に沿った方向における前記取付ネジ部の長さは、２６．５ｍｍ以上である、スパークプラグ。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のスパークプラグであって、さらに、
前記主体金具の内周に配置されており、軸孔を有する絶縁体と、
前記軸孔に配置されており、外周側に張り出した鍔部を備える中心電極と、を備え、
前記絶縁体は、前記軸孔において内周側に張り出した軸孔内段部を備え、
前記軸孔内段部は、前記鍔部と接しており、
前記軸線に沿った方向において、
前記有効径極大部は、前記軸孔内段部が前記鍔部と接する部分の後端よりも先端側に存在する、スパークプラグ。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のスパークプラグであって、さらに、
前記主体金具の内周に配置されており、軸孔を有する絶縁体を備え、
前記絶縁体は、外周に張り出す絶縁体段部を備え、
前記主体金具は、内周に張り出す金具内段部を備え、
前記絶縁体段部は、パッキンを介して前記金具内段部と接しており、
前記軸線に沿った方向において、
前記有効径極大部は、前記金具内段部の後端よりも先端側に存在する、スパークプラグ。
請求項５に記載のスパークプラグであって、
前記軸線に沿った方向において、
前記有効径極大部は、前記金具内段部の位置に存在する、スパークプラグ。