JP7051747B2

JP7051747B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP7051747B2
Application number: JP2019094580A
Authority: JP
Inventors: 達哉後澤; 謙治伴
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2019-05-20
Filing date: 2019-05-20
Publication date: 2022-04-11
Anticipated expiration: 2039-05-20
Also published as: CN111969418A; DE102020113569A1; CN111969418B; US10811851B1; JP2020191173A

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、中心電極と接地電極とを先端側から覆う副室が設けられたスパークプラグが知られている（例えば、特許文献１）。

一般に、副室を有するスパークプラグは、火花を発生させるための中心電極と接地電極との隙間である火花ギャップにおいて火花放電した後、まず、副室内で火炎が発生する。その後、火炎によって副室内の圧力が高まり、この圧力によって火炎が副室内から貫通孔を通って、プラグカバーの外部に噴出する。そして、噴出した火炎を着火源として、燃焼室内の燃料ガスを燃焼させることにより、燃焼室内で爆発的な燃焼が起こる。

特許文献１では、スパークプラグの軸線に沿った方向において、火花ギャップの位置に貫通孔が設けられているとともに、副室の最も先端側の位置においても貫通孔が設けられているスパークプラグが開示されている。

特開平１１－２２４７６３号公報

特許文献１に記載のスパークプラグのように、貫通孔の位置に関する検討は行われているが、貫通孔の形状に関する検討は十分に行われてきたとは言えず、燃費向上の観点から、さらなる改善の余地があった。

さらに、発明者らは、連続的な火花点火によって貫通孔の外側開口端が火炎に曝されるため、外側開口端の温度が高くなりすぎることを発見し、この結果として、火花点火する前に自己着火する現象（いわゆる「プレイグニッション」）が発生することを発見した。このため、本発明は、プレイグニッションの発生を抑制するとともに、燃費を向上させる技術を提供することを目的とする。

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。
（ｉ）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、中心電極と、
前記中心電極との間に火花放電のための隙間が形成された接地電極と、
前記中心電極と前記接地電極とを先端側から覆う中空状のプラグカバーと、
を備え、
前記プラグカバーには、貫通孔が設けられたスパークプラグであって、
前記プラグカバーは、前記貫通孔の中心軸に沿った方向において前記貫通孔の外側開口端から０．１ｍｍ以下の範囲に形成されており、前記外側開口端から前記貫通孔の内側開口端に向かうにつれて次第に縮径する縮径部を備え、
前記外側開口端における直径をｘとし、前記縮径部の内側の端における直径をｙとした場合、
０．００５ｍｍ≦ｘ－ｙ≦０．１５ｍｍ
の関係を満たすことを特徴とする。
その他、本発明は、以下のような形態として実現することも可能である。

（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、中心電極と、前記中心電極との間に火花放電のための隙間が形成された接地電極と、前記中心電極と前記接地電極とを先端側から覆う中空状のプラグカバーと、を備え、前記プラグカバーには、貫通孔が設けられたスパークプラグであって、前記プラグカバーは、前記貫通孔の中心軸に沿った方向において前記貫通孔の外側開口端から０．１ｍｍ以下の範囲に形成されており、前記外側開口端から前記貫通孔の内側開口端に向かうにつれて次第に縮径する縮径部を備え、前記外側開口端における直径をｘとし、前記縮径部の内側の端における直径をｙとした場合、０ｍｍ＜ｘ－ｙ＜０．２ｍｍの関係を満たすことを特徴とする。この形態のスパークプラグによれば、ｘ－ｙを０ｍｍより大きくすることにより、外側開口端が火炎に曝されることを抑制できるため、外側開口端の温度が高くなりすぎることを抑制できる結果、プレイグニッションの発生を抑制できる。また、この形態のスパークプラグによれば、ｘ－ｙを０．２ｍｍより小さくすることにより、外側開口端における火炎の密度低下を抑制できる。このため、噴出する火炎の噴出速度が遅くなることを抑制でき、この結果として、火炎が燃焼室内に十分に行き渡り、燃費が向上する。

（２）上記形態のスパークプラグにおいて、前記中心軸から、前記外側開口端のうち最も先端側の部分までの距離は、前記中心軸から、前記外側開口端のうち最も後端側の部分までの距離より大きくてもよい。この形態のスパークプラグによれば、火炎が燃焼室の中心側に噴射するため、火炎が燃焼室内に十分に行き渡り、燃費が向上する。

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。プラグカバーを先端側から見たときの模式図。貫通孔の断面形状を説明するための模式図。本実施形態が奏する効果を裏付ける実験結果を示す図。

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、中心電極２０と接地電極３０とを覆うプラグカバー８０と、を備える。ここで、スパークプラグ１００の軸線ＣＡは、中心電極２０の軸線と同一である。

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、プラグカバー８０のネジ溝８６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部分である。シール部５４とプラグカバー８０のカバーシール部８４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。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。

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。接地電極３０の貴金属チップ３１と中心電極２０との間には、火花放電のための隙間が形成されている。以下、この隙間を「火花ギャップ」とも呼ぶ。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。

プラグカバー８０は、中心電極２０と接地電極３０とを先端側から覆う中空状の部材である。本実施形態のプラグカバー８０は、ステンレス鋼により形成されている。プラグカバー８０に覆われた空間を副室Ｒとも呼ぶ。副室Ｒは、火花ギャップを覆っている。本実施形態では、副室Ｒは、絶縁体１０と中心電極２０と主体金具５０とパッキン６８とプラグカバー８０とに囲まれた空間である。プラグカバー８０の内壁には、主体金具５０の取付ネジ部５２に螺合するネジ溝８６が切られており、主体金具５０をプラグカバー８０にねじ込むことにより、主体金具５０にプラグカバー８０が取り付けられている。

プラグカバー８０は、ネジ部８２と、カバーシール部８４とを備える。ネジ部８２は、プラグカバー８０の外周において全周に雄ネジが形成された部分であり、エンジンヘッドのネジ溝にねじ込まれる部分である。カバーシール部８４は、ネジ部８２の根元に鍔状に形成されている部分である。カバーシール部８４の先端側には、板体を折り曲げることにより形成された環状のガスケット８８が嵌挿されている。プラグカバー８０の厚さは、特に限定されないが、例えば、１．５ｍｍから３ｍｍ程度を例示できる。

プラグカバー８０には、自身の内部と外部とを連通する複数の貫通孔８１が設けられている。貫通孔８１を設けることにより、エンジンの燃焼室に存在する燃料ガスを副室Ｒに流入させるとともに、副室Ｒ内で発生させた火炎をプラグカバー８０の外部に噴射させることができる。

本実施形態のスパークプラグ１００では、火花ギャップにおいて火花放電した後、まず、副室Ｒ内で火炎が発生する。その後、火炎によって副室Ｒ内の圧力が高まり、この圧力によって火炎が貫通孔８１を通り、プラグカバー８０の外部に噴出する。そして、噴出した火炎を着火源として、燃焼室内の燃焼ガスを燃焼させることにより、燃焼室内で爆発的な燃焼が起こる。

図２は、プラグカバー８０を先端側から見たときの模式図である。本実施形態では、４個の貫通孔８１が軸線ＣＡを中心として等間隔に設けられている。なお、貫通孔８１の個数は、これに限られず、３個以下でもよく、５個以上でもよい。燃費向上の観点から、貫通孔８１の数は、２個以上８個以下が好ましく、３個以上６個以下がより好ましい。

図３は、貫通孔８１の断面形状を説明するための模式図である。本実施形態では、プラグカバー８０は、貫通孔８１の外側開口端Ｅ１から貫通孔８１の内側開口端に向かうにつれて次第に縮径する縮径部Ｄｒを備える。縮径部Ｄｒは、貫通孔８１の中心軸ＣＢに沿った方向において外側開口端Ｅ１から０．１ｍｍ以下の範囲に形成されている。換言すると、プラグカバー８０には、貫通孔８１を形成する貫通孔形成部Ｄが設けられており、貫通孔形成部Ｄは、プラグカバー８０の内側の面に連なる内側開口端Ｅ２を含む内側部Ｄｎと、プラグカバー８０の外側の面に連なる外側開口端Ｅ１を含む縮径部Ｄｒとを有する。本実施形態では、縮径部Ｄｒは、貫通孔８１の中心軸ＣＢに沿った方向において外側開口端Ｅ１から０．０８ｍｍの範囲において次第に縮径している。

本実施形態のスパークプラグ１００では、外側開口端Ｅ１における直径をｘとし、縮径部Ｄｒの内側の端における直径をｙとした場合、０ｍｍ＜ｘ－ｙ＜０．２ｍｍの関係を満たすことを特徴とする。ここで、外側開口端Ｅ１における直径ｘとは、軸線ＣＡと直交する線分のうち、縮径部Ｄｒにおいて最も外側における線分の長さを示す。縮径部Ｄｒの内側の端における直径ｙとは、軸線ＣＡと直交する線分のうち、縮径部Ｄｒにおいて最も内側における線分の長さを示す。

本実施形態のスパークプラグ１００によれば、ｘ－ｙを０ｍｍより大きくすることにより、ｘ－ｙが０ｍｍの場合と比較して、外側開口端Ｅ１が火炎に曝されることを抑制できる。このため、外側開口端Ｅ１の温度が高くなりすぎることを抑制できる結果、火花点火する前に自己着火する現象であるプレイグニッションの発生を抑制できる。プレイグニッションの発生を抑制する観点から、ｘ－ｙは０．０１より大きいことがより好ましい。

また、本実施形態のスパークプラグ１００によれば、ｘ－ｙを０．２ｍｍより小さくすることにより、ｘ－ｙが０．２ｍｍ以上の場合と比較して、外側開口端Ｅ１における火炎の密度低下を抑制できる。このため、貫通孔８１から噴出する火炎の噴出速度が遅くなることを抑制でき、この結果として、火炎が燃焼室内に十分に行き渡り、燃料ガスの燃焼速度が速くなるため、燃費が向上する。燃焼速度を速くする観点から、ｘ－ｙを０．１５ｍｍ以下とすることがより好ましい。

また、本実施形態のスパークプラグ１００では、貫通孔８１の中心軸ＣＢから、外側開口端Ｅ１のうち最も先端側の部分Ｐ１までの距離ｂは、中心軸ＣＢから、外側開口端Ｅ１のうち最も後端側の部分Ｐ２までの距離ａよりも大きい。このようにすることにより、貫通孔８１から噴出する火炎が、先端側に広がる。つまり、火炎が燃焼室の中心側に噴射するため、火炎が燃焼室内に十分に行き渡り、燃費が向上する。本実施形態では、プラグカバー８０は貫通孔８１を複数備え、すべての貫通孔８１において、距離ｂは距離ａよりも大きい。このようにすることにより、すべての貫通孔８１から噴出する火炎が、先端側に広がるため、燃費がより向上する。

図４は、本実施形態が奏する効果を裏付ける実験結果を示す図である。この実験では、図４に示すように、（ｉ）外側開口端Ｅ１における直径ｘと、（ｉｉ）縮径部Ｄｒの内側の端における直径ｙと、（ｉｉｉ）距離ａと、（ｉｖ）距離ｂとをサンプルごとに異ならせたスパークプラグのサンプルを作製した。

ｘ、ｙ、ａ、ｂの各値の測定は、貫通孔８１を樹脂で埋めた後、軸線ＣＡと貫通孔８１の中心軸ＣＢを通る平面でプラグカバー８０を切断し、この切断面におけるｘ、ｙ、ａ、ｂの各値をマイクロスコープによって測定することにより行った。この実験では、プレイグニッションに関する評価と燃焼速度に関する評価とを行った。

プレイグニッションに関する評価では、直列４気筒で排気量が１．３Ｌの自然吸気エンジンにサンプルを取り付け、回転数を６０００ｒｐｍとし、ＷＯＴ（Wide Open Throttle）の条件にて運転した。そして、プレイグニッションの頻度を、クランク角で規定される点火タイミング毎に測定した。一般に、点火タイミングを進角させるほど、プレイグニッションが発生しやすい。

市販品のスパークプラグと比較して、点火タイミングを２°進角させた場合においてプレイグニッションが発生しない場合の点数を１点とし、２°進角させた場合においてプレイグニッションが発生した場合の点数を０点とした。

燃焼速度に関する評価では、直列４気筒で排気量が１．６Ｌの直噴ターボエンジンにサンプルを取り付け、ＮＭＥＰ（Net Mean Effective Pressure）を１０００ｋＰａとし、回転数を２０００ｒｐｍとした条件にて、燃焼速度を測定した。燃焼速度は、ＭＦＢ（Mass Fraction Burn）が１０質量％から９０質量％に至るまでの時間から算出した。

市販品のスパークプラグと比較して燃焼速度が短縮した割合を用いて、燃焼速度を点数で評価した。具体的には、以下のように評価した。点数が大きいほど燃焼速度が速いことを示すとともに、燃費が良いことを示す。
２０％以上：３点
５％以上２０％未満：１点
５％未満：０点

また、総合評価として、プレイグニッションに関する上記点数と燃焼速度に関する上記点数との和を算出した。

図４に示す実験結果から以下のことが分かった。つまり、サンプル１，９とそれ以外のサンプルとの実験結果を比較することにより、ｘ－ｙが０より大きい場合にプレイグニッションの発生が抑制されることが分かった。他方、サンプル７，８，１５，１６とそれ以外のサンプルとの実験結果を比較することにより、ｘ－ｙが０．２ｍｍより小さい場合に燃焼速度が速くなることが分かった。

さらに、サンプル１７とサンプル１８との実験結果の比較と、サンプル１９とサンプル２０との実験結果の比較とを行うことにより、距離ｂが距離ａよりも大きいほうが、燃焼速度がより速くなることが分かった。

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。

上述の実施形態では、主体金具５０とプラグカバー８０とは別体であるが、これに限られず、一体としてもよい。また、接地電極３０は、主体金具５０に設けられているが、これに限られず、例えば、プラグカバー８０に設けられていてもよい。

上述の実施形態では、図３に示すように、貫通孔８１の中心軸ＣＢから、外側開口端Ｅ１のうち最も先端側の部分Ｐ１までの距離ｂは、中心軸ＣＢから、外側開口端Ｅ１のうち最も後端側の部分Ｐ２までの距離ａよりも大きい。しかし、これ限られない。距離ｂは距離ａと同じでもよく、距離ｂは距離ａよりも小さくてもよい。

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
８０…プラグカバー
８１…貫通孔
８２…ネジ部
８４…カバーシール部
８６…ネジ溝
８８…ガスケット
１００…スパークプラグ
ＣＡ…軸線
ＣＢ…中心軸
Ｄ…貫通孔形成部
Ｄｎ…内側部
Ｄｒ…縮径部
Ｅ１…外側開口端
Ｅ２…内側開口端
Ｐ１…部分
Ｐ２…部分
Ｒ…副室
ａ…距離
ｂ…距離
ｘ…直径
ｙ…直径

Claims

中心電極と、
前記中心電極との間に火花放電のための隙間が形成された接地電極と、
前記中心電極と前記接地電極とを先端側から覆う中空状のプラグカバーと、
を備え、
前記プラグカバーには、貫通孔が設けられたスパークプラグであって、
前記プラグカバーは、前記貫通孔の中心軸に沿った方向において前記貫通孔の外側開口端から０．１ｍｍ以下の範囲に形成されており、前記外側開口端から前記貫通孔の内側開口端に向かうにつれて次第に縮径する縮径部を備え、
前記外側開口端における直径をｘとし、前記縮径部の内側の端における直径をｙとした場合、
０．００５ｍｍ≦ｘ－ｙ≦０．１５ｍｍ
の関係を満たすことを特徴とする、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、
前記中心軸から、前記外側開口端のうち最も先端側の部分までの距離は、前記中心軸から、前記外側開口端のうち最も後端側の部分までの距離より大きいことを特徴とする、スパークプラグ。