JP7060551B2

JP7060551B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP7060551B2
Application number: JP2019115635A
Authority: JP
Inventors: 俊介津荷
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2019-06-21
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2022-04-26
Anticipated expiration: 2039-06-21
Also published as: JP2021002480A

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の間に電圧を印加することによって火花を発生させるスパークプラグが知られている（例えば、特許文献１）。

特許文献１では、燃焼室内においてタンブル流が存在する条件においても火花放電の短絡を抑制するために、接地電極のうち、中心電極に対向する面にチップが設けられているとともに、中心電極に対向しない面においてもチップ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２０１８－１４７６１７号公報

しかし、特許文献１に記載のスパークプラグでは、タンブル流によって放電路の形成位置が変わることにより、接地電極のうち、チップに覆われていない部分が火花放電によって消耗する虞がある。このため、火花放電による接地電極の消耗を抑制する技術が望まれていた。

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、中心電極と、前記中心電極に対向する対向面を有する接地電極と、前記対向面に設けられた第１チップと、前記接地電極の面であって、前記対向面に連なる側面に設けられた第２チップと、を備え、前記接地電極は、ニッケルを主成分として形成されており、前記第１チップと前記第２チップとは、貴金属を主成分として形成されており、前記第１チップと前記第２チップとは、離間している、スパークプラグであって、前記第１チップは、前記側面よりも前記第２チップ側に突出していることにより、前記第１チップと前記第２チップとを前記中心電極の軸線に沿った方向に垂直な面に投影させたとき、前記第１チップの一部が前記第２チップの少なくとも一部と重なることを特徴とする。接地電極のうち第２チップが設けられている側面とは反対側の側面から、第２チップが設けられている側面に向かう方向へと、中心電極と第１チップとの間をタンブル流が流れる場合に、この形態のスパークプラグによれば、第１チップが側面よりも第２チップ側に突出しているため、火花放電による接地電極の消耗を抑制できる。

（２）上記形態のスパークプラグにおいて、前記接地電極は、前記中心電極の軸線に沿って基端から延びる基端部と、前記対向面が形成された対向部と、前記基端部と前記対向部とを接続し、屈曲した形状の屈曲部と、を備え、前記側面は、前記屈曲部から前記対向部へ向かう方向に沿った面であってもよい。この形態のスパークプラグによれば、接地電極よりもタンブル流の流れ方向下流側に第２チップが位置するようにタンブル流が流れる場合に、火花放電による接地電極の消耗を抑制できる。

（３）上記形態のスパークプラグにおいて、前記第１チップの位置と前記第２チップの位置とが重なる部分の長さは、前記第２チップの厚み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、タンブル流により放電路が長くなるにしたがって、放電路が第２チップに至ることとなりやすいため、放電路がより長くなり、燃費が向上する。

（４）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、前記第２チップは、前記接地電極よりも先端側に突出していてもよい。この形態のスパークプラグによれば、火花放電により接地電極が消耗することを抑制できる。

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。第１チップと第２チップとの位置関係を示す斜視図。第１チップと第２チップとを軸線に沿った方向に垂直な面に投影させた図。火花放電を発生させた場合について説明するための図。比較例を示す図。第２実施形態のスパークプラグの模式図。側面とは異なる面に第２チップが設けられた変形例を示す図。

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。なお、スパークプラグ１００の軸心は、中心電極２０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。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、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、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。本明細書において、「主成分」とは、５０質量％以上含まれる成分を示す。接地電極３０には、第１チップ３１と第２チップ３５とが設けられている。第１チップ３１と第２チップ３５とは、離間している。

図２は、第１チップ３１と第２チップ３５との位置関係を示す斜視図である。接地電極３０は、中心電極２０の先端と対向する対向面Ｓ１を備える。第１チップ３１は、接地電極３０の対向面Ｓ１に設けられている。第１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。

第２チップ３５は、接地電極３０の面であって対向面Ｓ１に連なる側面Ｓ２に設けられている。本実施形態では、側面Ｓ２は、屈曲部３８から対向部３３へ向かう第１方向Ｄ１に沿った面である。第１チップ３１は、接地電極３０の側面Ｓ２よりも第２チップ３５側に突出している。なお、軸線ＣＡに沿った方向において、第２チップ３５の先端は、接地電極３０の先端と同じ位置に設けられている。

第１チップ３１と第２チップ３５とは、貴金属を主成分として形成されている。貴金属としては、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等が挙げられる。本実施形態では、第１チップ３１と第２チップ３５とは、同じ貴金属を主成分としているが、第１チップ３１と第２チップ３５とは、異なる貴金属を主成分としていてもよい。

接地電極３０への第１チップ３１及び第２チップ３５の取付方法は、特に限定されない。取付方法としては、例えば、第２チップ３５を接地電極３０に取り付けた後に、第１チップ３１を接地電極３０に取り付ける方法が挙げられる。この方法は、第１チップ３１の突出している部分が第２チップ３５設置時に邪魔になることを抑制できるため好ましい。

図３は、第１チップ３１と第２チップ３５とを、軸線ＣＡに沿った方向に垂直な面Ｆに投影させた図である。第１チップ３１と第２チップ３５とを面Ｆに投影させたとき、第１チップ３１の一部が第２チップ３５の少なくとも一部と重なる。具体的には、第１チップ３１と第２チップ３５とを面Ｆに投影させたとき、領域Ｊにおいて第１チップ３１と第２チップ３５とが重なる。

図４は、火花放電を発生させた場合について説明するための図である。仮に、燃焼室内が無風状態において火花放電を発生させた場合、放電路Ｐは、中心電極２０と接地電極３０の第１チップ３１とを結ぶ直線状に形成される。しかし、実際には燃焼室内ではタンブル流が発生しており、このタンブル流によって、放電路Ｐはタンブル流の流れる方向Ｄの下流側に引き伸ばされる。タンブル流により放電路Ｐが引き伸ばされることにより、火炎が広範囲の燃焼ガスと接触し、着火性が向上することにより、燃費が向上する。

燃費を向上させる観点から、本実施形態では、タンブル流を阻害しない位置に接地電極３０の基端部３６が配されるように、スパークプラグ１００が燃焼室に設置されている。より具体的には、第１方向Ｄ１と方向Ｄとが直交するように、スパークプラグ１００が燃焼室に設置されている。このため、接地電極３０のうち第２チップ３５が設けられている側面Ｓ２とは反対側の側面から、第２チップ３５が設けられている側面Ｓ２に向かう方向へと、中心電極２０と第１チップ３１との間をタンブル流が流れることとなる。このような場合に、タンブル流によって放電路Ｐが効果的に引き伸ばされる。

また、本実施形態は、第１チップ３１と第２チップ３５とを軸線ＣＡに沿った方向に垂直な面Ｆに投影させたとき、第２チップ３５の少なくとも一部が第１チップ３１の一部と重なる態様である。この態様とすることにより、タンブル流により放電路Ｐがタンブル流下流側に引き伸ばされる結果、放電路Ｐは第１チップ３１ではなく第２チップ３５に及ぶこととなる。このようにすることにより、タンブル流により放電路Ｐが長くなるにしたがって、火花が広範囲の燃焼ガスと接触する。この結果として、本実施形態によれば、着火性が向上することにより、燃費が向上する。特に、タンブル流の流速が速く、かつ、中心電極２０に印加される電圧が高い条件において、本実施形態は有効である。

本実施形態では、第１チップ３１と第２チップ３５とは貴金属を主成分としているのに対して、接地電極３０はニッケルを主成分としている。このため、接地電極３０のほうが第１チップ３１及び第２チップ３５よりも火花放電によって消耗しやすい。しかし、上述の態様とすることにより、第１チップ３１に覆われていない接地電極３０の部分が、火花放電により消耗することを抑制でき、スパークプラグ１００の耐久性が向上する。以下、このメカニズムについて説明する。

図５は、比較例を示す図である。本実施形態と比較して、比較例は、第１チップ３１ｘが側面Ｓ２よりも第２チップ３５側に突出していない点で異なるが、それ以外は実施形態と同じである。

方向Ｄにタンブル流が発生している状態において火花放電を発生させた場合、タンブル流により放電路Ｐがタンブル流下流側に引き伸ばされる。このため、比較例の場合、第１チップ３１ｘではなく、接地電極３０の上面角部の領域Ｒ１に放電路Ｐが及ぶことがある。この場合、領域Ｒ１が消耗する。

一方、本実施形態では、図４に示すように、第１チップ３１が側面Ｓ２よりも第２チップ３５側に突出していることにより、第１チップ３１と第２チップ３５とを軸線ＣＡに沿った方向に垂直な面に投影させたとき、第１チップ３１の一部が第２チップ３５の少なくとも一部と重なる。このため、本実施形態によれば、放電路Ｐが引き伸ばされた場合においても、放電路Ｐは接地電極３０ではなく第２チップ３５に及ぶこととなり、接地電極３０が火花放電により消耗することを抑制できる。そして、この結果として、スパークプラグ１００の耐久性が向上する。

また、本実施形態では、第２チップ３５は、屈曲部３８から対向部３３へ向かう第１方向Ｄ１に沿った側面Ｓ２に設けられている。このため、接地電極３０よりもタンブル流の流れ方向Ｄの下流側に第２チップ３５が位置するようにタンブル流が流れる場合に、火花放電による接地電極３０の消耗を抑制できる。

また、本実施形態のスパークプラグ１００は、第１チップ３１と第２チップ３５とが重なる部分の長さＬは、第２チップ３５の厚みＴ以下である。このようにすることにより、長さＬを第２チップ３５の厚みＴよりも長くした場合と比較して、タンブル流により放電路Ｐが長くなるにしたがって、放電路Ｐが第２チップ３５に至ることとなりやすいため、放電路Ｐがより長くなる。この結果として、火炎が広範囲の燃焼ガスと接触し、燃費が向上する。本明細書において、「第１チップ３１と第２チップ３５とが重なる部分の長さＬ」とは、第１方向Ｄ１と軸線ＣＡに沿った方向とに直交する第２方向Ｄ２において第１チップ３１と第２チップ３５とが重なる部分の長さを示す。また、「第２チップ３５の厚みＴ」とは、側面Ｓ２に垂直な方向における最大長さを示す。

さらに、本実施形態のスパークプラグ１００は、第１チップ３１と第２チップ３５とが離間している。このため、第１チップ３１と第２チップ３５とが一体となっている構成と比較して、第１チップ３１に放電路Ｐが及ぶ場合において第１チップ３１に発生した熱が、第２チップ３５に伝わることを抑制できる。同様に、第１チップ３１と第２チップ３５とが一体となっている構成と比較して、第２チップ３５に放電路Ｐが及ぶ場合において第２チップ３５に発生した熱が、第１チップ３１に伝わることを抑制できる。このため、本実施形態のスパークプラグ１００は、第１チップ３１や第２チップ３５の過熱を抑制できる。

Ｂ．第２実施形態
図６は、第２実施形態のスパークプラグ１００ａの模式図である。第１実施形態と比較して、第２実施形態は、軸線ＣＡに沿った方向において、第２チップ３５ａが接地電極３０よりも先端側に突出している点で異なるが、それ以外は第１実施形態と同じである。

本実施形態によれば、放電路Ｐが方向Ｄの下流側に引き伸ばされる結果として、放電路Ｐが第２チップ３５ａの先端まで引き伸ばされることとなる。そして、放電路Ｐが第２チップ３５の先端まで引き伸ばされるということは、火花が燃焼室の中心に近づくことと同義である。このため、火花が広範囲の燃焼ガスと接触し、燃費が向上する。

燃費向上の観点から、軸線ＣＡに沿った方向において、接地電極３０よりも先端側に突出している部分における第２チップ３５ａの長さは、第２チップ３５ａ全体の長さの１％以上であることが好ましく、３％以上であることがより好ましく、５％以上であることがさらに好ましい。一方、第２チップ３５ａの剥離を抑制する観点から、軸線ＣＡに沿った方向において、接地電極３０よりも先端側に突出している部分における第２チップ３５ａの長さは、第２チップ３５ａ全体の長さの２０％以下であることが好ましく、１５％以下であることがより好ましく、１０％以下であることがさらに好ましい。

また、本実施形態では、軸線ＣＡに沿った方向において、第２チップ３５ａが接地電極３０よりも先端側に突出していることにより、接地電極３０の下面角部の領域Ｒ２ではなく、第２チップ３５ａに放電路が及ぶこととなる。この結果として、火花放電により接地電極３０が消耗することを抑制できるため、スパークプラグ１００ａの耐久性が向上する。

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、第２チップ３５は、屈曲部３８から対向部３３へ向かう第１方向Ｄ１に沿った側面Ｓ２に設けられている。しかし、これに限られない。

図７は、側面Ｓ２とは異なる面に第２チップ３５ｂが設けられた変形例を示す図である。図７に示すように、第２チップ３５ｂは、第１方向Ｄ１に直交する面Ｓ３に設けられていてもよい。

上述の実施形態では、第１チップ３１と第２チップ３５とが重なる部分の長さＬは、第２チップ３５の厚みＴ以下であるが、これに限られず、第１チップ３１と第２チップ３５とが重なる部分の長さＬは、第２チップ３５の厚みＴよりも大きくてもよい。

上述の実施形態では、第１チップ３１及び第２チップ３５，３５ａ，３５ｂの形状は、四角柱状であるが、これに限られない。例えば、第１チップ３１及び第２チップ３５，３５ａ，３５ｂの形状は、円柱状であってもよい。

上述の第１実施形態では、軸線ＣＡに沿った方向において、第２チップ３５の先端は、接地電極３０の先端と同じ位置に設けられているが、これに限られない。軸線ＣＡに沿った方向において、第２チップ３５の先端は、接地電極３０の先端よりも先端側に突出していてもよく、接地電極３０の先端よりも後端側に設けられていてもよい。

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
３１，３１ｘ…第１チップ
３２…基端
３３…対向部
３５，３５ａ，３５ｂ…第２チップ
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…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
１００ａ…スパークプラグ
Ｆ…面
ＣＡ…軸線
Ｄ…方向
Ｄ１…第１方向
Ｄ２…第２方向
Ｊ…領域
Ｌ…長さ
Ｐ…放電路
Ｒ１…領域
Ｒ２…領域
Ｓ１…対向面
Ｓ２…側面
Ｓ３…面
Ｔ…厚み

Claims

中心電極と、
前記中心電極に対向する対向面を有する接地電極と、
前記対向面に設けられた第１チップと、
前記接地電極の面であって、前記対向面に連なる側面に設けられた第２チップと、を備え、
前記接地電極は、ニッケルを主成分として形成されており、
前記第１チップと前記第２チップとは、貴金属を主成分として形成されており、
前記第１チップと前記第２チップとは、離間している、
スパークプラグであって、
前記第１チップは、前記側面よりも前記第２チップ側に突出していることにより、
前記第１チップと前記第２チップとを前記中心電極の軸線に沿った方向に垂直な面に投影させたとき、前記第１チップの一部が前記第２チップの少なくとも一部と重な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、
前記接地電極は、
前記中心電極の軸線に沿って基端から延びる基端部と、
前記対向面が形成された対向部と、
前記基端部と前記対向部とを接続し、屈曲した形状の屈曲部と、を備え、
前記側面は、前記屈曲部から前記対向部へ向かう方向に沿った面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、
前記第１チップの位置と前記第２チップの位置とが重なる部分の長さは、前記第２チップの厚み以下であることを特徴とする、スパークプラグ。
請求項１から請求項３までのいずれか１項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、前記第２チップは、前記接地電極よりも先端側に突出していることを特徴とする、スパークプラグ。