JP7220167B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明はエンジンの燃焼室に副室を設けるスパークプラグに関するものである。

エンジンの燃焼室に副室を設けるスパークプラグが知られている（例えば特許文献１）。この種のスパークプラグは、副室を作るキャップ部の貫通孔を通って、燃焼室から副室に可燃混合気が流入する。スパークプラグは火花ギャップに到達した可燃混合気に点火し、可燃混合気の燃焼によって生じる膨張圧力により、火炎を含むガス流を貫通孔から燃焼室に噴射する。その火炎の噴流によって燃焼室内の可燃混合気が燃焼する。

特開２００６－１４４６４８号公報

しかし上記従来の技術では、副室の中でプレイグニッションが生じるおそれがある。

本発明はこの問題点を解決するためになされたものであり、副室の中で生じるプレイグニッションを抑制できるスパークプラグを提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明のスパークプラグは、軸線に沿って延びる軸孔が形成され、外周に径方向外側に突出する段部を備える筒状の絶縁体と、軸孔に配置された中心電極と、内周に径方向内側に突出する棚部と、外周に形成されたおねじと、おねじの後端側に位置する座面を含む鍔部と、を備え、絶縁体の外周に配置され、先端側から段部を直接または他部材を介して棚部が係止し、段部に棚部または他部材が接する接触部を形成する筒状の主体金具と、主体金具に電気的に接続され、中心電極と自身の端部との間に火花ギャップを形成する接地電極と、主体金具の先端側において、中心電極と接地電極の端部とを先端側から覆うと共に貫通孔が形成されたキャップ部と、を備える。軸線を含む断面において、接触部の後端と主体金具との間に隙間があり、おねじのピッチをＸ（ｍｍ）、おねじのうち完全ねじ部の後端のねじ山の頂と接触部の後端との間の軸線方向の距離をＡ（ｍｍ）、接触部の後端と絶縁体の先端との間の軸線方向の距離をＢ（ｍｍ）、接触部の後端と座面との間の軸線方向の距離をＣ（ｍｍ）としたとき、０＜Ａ＜４Ｘ、２≦Ｂ≦１５、かつ、Ｃ≦３．２を満たす。

請求項１記載のスパークプラグによれば、Ｂ≦１５ｍｍなので、絶縁体のうち接触部の後端よりも先端側に位置する部位の表面積を小さくできる。これにより副室の中の絶縁体の過熱を抑制できる。さらに、おねじの軸力が大きい、完全ねじ部の後端のねじ山の頂から４Ｘの範囲に接触部の後端があり、かつ、Ｃ≦３．２ｍｍなので、絶縁体の熱が主体金具を通ってエンジンに逃げ易くなる。これにより絶縁体の過熱を抑制できるので、副室の中で生じるプレイグニッションを抑制できる。

請求項２記載のスパークプラグによれば、副室の先端と接触部の後端との間の軸線方向の距離Ｄが距離Ｃ以上に長いので、接触部の温度上昇が抑制される。これにより絶縁体の熱が主体金具を通ってエンジンにさらに逃げ易くなるので、請求項１の効果に加え、プレイグニッションをより抑制できる。

請求項３記載のスパークプラグによれば、１．５Ｃ≦Ｄを満たすので、請求項２の効果に加え、プレイグニッションをより抑制できる。

請求項４記載のスパークプラグによれば、Ｂ≦１２を満たすので、請求項１から３のいずれかの効果に加え、プレイグニッションをより抑制できる。

一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。 図１のＩＩで示す部分を拡大したスパークプラグの片側断面図である。 図２のＩＩＩで示す部分を拡大したスパークプラグの断面図である。

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は一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２は図１のＩＩで示す部分を拡大したスパークプラグ１０の軸線Ｏを境にした片側断面図である。図３は図２のＩＩＩで示す部分を拡大したスパークプラグ１０の軸線Ｏを含む断面図である。図１から図３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１に示すようにスパークプラグ１０は、絶縁体１１、中心電極１５、主体金具２０、接地電極４０及びキャップ部５０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の外周に、径方向の外側に突出する段部１３（図２参照）が形成されている。段部１３には先端側を向く面が形成されている。

絶縁体１１の軸孔１２の先端側には中心電極１５が配置されている。中心電極１５は、絶縁体１１の先端１４（図２参照）よりも先端側に突出している。中心電極１５は、軸孔１２内で端子金具１６と電気的に接続されている。端子金具１６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１６は絶縁体１１の後端に固定されている。

主体金具２０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２０は絶縁体１１の外周に配置されている。主体金具２０の先端部２１には、外周におねじ２２が形成されている。エンジン（図示せず）のねじ穴に主体金具２０のおねじ２２が螺合することにより、スパークプラグ１０はエンジンに取り付けられる。おねじ２２（図３参照）は完全ねじ部２３及び不完全ねじ部２４を含む。

主体金具２０は、おねじ２２の後端側に鍔部２６が設けられている。鍔部２６には、おねじ２２の軸力を受ける座面２７が形成されている。本実施形態では、座面２７は軸線Ｏにほぼ垂直な円環状の面である。おねじ２２と鍔部２６との間に、エンジンと座面２７との間の気密性を向上させるガスケット（図示せず）が配置される。

主体金具２０は先端部２１の内周に、径方向の内側に突出する棚部２８が設けられている。棚部２８には後端側を向く面が形成されている。本実施形態では、先端部２１を径方向に貫通する穴２９が主体金具２０に形成されている。穴２９は棚部２８よりも先端側に位置する。穴２９では、おねじ２２の山および谷は切り取られている。

主体金具２０の棚部２８は、絶縁体１１の段部１３よりも先端側に位置する。棚部２８と段部１３との間にパッキン３０（図３参照）が介在する。パッキン３０は、主体金具２０を構成する金属材料よりも軟質の鉄や鋼などの金属材料で形成される円環状の板材である。棚部２８はパッキン３０を介して段部１３を係止する。パッキン３０は段部１３に密着して、段部１３にパッキン３０が接する接触部３１を形成する。

接地電極４０はＰｔ等を主成分とする金属材料によって形成された棒状の部材である。本実施形態では、接地電極４０は主体金具２０に形成された穴２９に圧入されており、先端部２１を貫通して先端部２１の内側に突き出ている。接地電極４０（図２参照）の端部４１は、火花ギャップ４２を介して中心電極１５と対向している。なお、接地電極４０の主成分元素はＰｔに限られるものではなく、他の元素を主成分とすることは当然可能である。他の元素としては、例えばＮｉやＩｒが挙げられる。

主体金具２０の先端部２１には、おねじ２２の先端側にキャップ部５０が接続されている。主体金具２０とキャップ部５０とに囲まれて副室５２ができる。エンジン（図示せず）にスパークプラグ１０が取り付けられた状態で、キャップ部５０はエンジンの燃焼室に露出する。キャップ部５０は、Ｆｅ等を主成分とする金属材料によって形成されている。なお、キャップ部５０の主成分元素はこれに限られるものではなく、他の元素を主成分とすることは当然可能である。他の元素としては、例えばＮｉやＣｕが挙げられる。

キャップ部５０は、中心電極１５及び接地電極４０の端部４１を先端側から覆う。本実施形態では、キャップ部５０は主体金具２０に溶接されている。キャップ部５０には貫通孔５１が形成されている。貫通孔５１は副室５２と燃焼室とを連通する。

エンジン（図示せず）に取り付けられたスパークプラグ１０には、エンジンのバルブ操作により、エンジンの燃焼室から貫通孔５１を通ってキャップ部５０の内側の副室５２に可燃混合気が流入する。スパークプラグ１０は、中心電極１５と接地電極４０との間の放電により、火花ギャップ４２に火炎核を生成する。火炎核が成長すると副室５２の可燃混合気に点火し可燃混合気が燃焼する。その燃焼によって生じる膨張圧力により、スパークプラグ１０は火炎を含むガス流を貫通孔５１から燃焼室に噴射する。その火炎の噴流によって燃焼室内の可燃混合気が燃焼する。

スパークプラグ１０は、主体金具２０の先端部２１をキャップ部５０が塞いで副室５２を作っているので、副室５２の中でプレイグニッションが生じるおそれがある。特に副室５２に露出した絶縁体１１の過熱が懸念される。そこで副室５２内のプレイグニッションを抑制するため、スパークプラグ１０は以下のような条件を満たすように作られている。

おねじ２２（図３参照）のうち完全ねじ部２３の後端のねじ山の頂２５と接触部３１の後端３２との間の軸線方向の距離Ａ（ｍｍ）、及び、おねじ２２のピッチＸ（ｍｍ）は０＜Ａ＜４Ｘの関係を満たす。本実施形態では、接触部３１の後端３２はねじ山の頂２５よりも先端側に位置する。接触部３１は、絶縁体１１から主体金具２０への熱伝導の経路である。おねじ２２は、主体金具２０からエンジンへの熱伝導の経路である。ねじ山の頂２５から４Ｘまでの部位は、おねじ２２の軸力が特に大きい。この部位の径方向の内側に接触部３１の後端３２があるので、熱伝導により絶縁体１１の熱が接触部３１及びおねじ２２を通ってエンジンに逃げ易くなる。

絶縁体１１のうち接触部３１よりも先端側の部位は、副室５２に配置される。接触部３１の後端３２と絶縁体１１の先端１４との間の軸線方向の距離Ｂは１５ｍｍ以下、より好ましくは１２ｍｍ以下である。これにより副室５２に存在する絶縁体１１の表面積を小さくできる。絶縁体１１の表面積が小さいほど、副室５２の熱を絶縁体１１が受け難くなるので、絶縁体１１の過熱を抑制できる。なお、棚部２８と中心電極１５との間で生じる放電を防ぐため、距離Ｂは２ｍｍ以上であることが好ましい。

座面２７は、主体金具２０からエンジンへの熱伝導の経路である。本実施形態では、座面２７は接触部３１の後端３２よりも後端側に位置する。接触部３１の後端３２と座面２７との間の軸線方向の距離Ｃは３．２ｍｍ以下である。これにより絶縁体１１の熱が熱伝導によって接触部３１及び座面２７を通ってエンジンに逃げ易くなる。なお、おねじ２２の径方向の内側に接触部３１の後端３２を配置するため、距離Ｃは１．５ｍｍ以上であることが好ましい。

スパークプラグ１０は０＜Ａ＜４Ｘ，Ｂ≦１５ｍｍ及びＣ≦３．２ｍｍの関係を満たすので、絶縁体１１の熱が主体金具２０を通ってエンジンに逃げ易くなる。これにより絶縁体１１の過熱によるプレイグニッションを抑制できる。

スパークプラグ１０は、副室５２の先端５３と接触部３１の後端３２との間の軸線方向の距離Ｄ（ｍｍ）が距離Ｃ以上である。Ｃ≦Ｄの関係を満たすことにより、接触部３１の温度上昇が抑制される。これにより絶縁体１１の熱が主体金具２０を通ってエンジンにさらに逃げ易くなるので、プレイグニッションをより抑制できる。なお、１．５Ｃ≦Ｄであると効果がより顕著になるので好ましい。

本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

距離Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤが異なる種々のスパークプラグ１０のサンプルＮｏ．１－１０を作製した。各サンプルのおねじ２２のピッチＸは１．２５ｍｍとした。直列４気筒１．３リットルの無過給エンジンに各サンプルを取り付け、エンジンを６０００ｒｐｍ、ＷＯＴ（吸気絞り弁全開）の条件で運転した。この条件の下、ある点火時期に固定して１分間エンジンを運転し、この間にプレイグニッションが発生しなければ点火時期を２°進角させる操作を繰り返した。これによりプレイグニッションが発生した点火時期、即ち上死点を基準にしたクランクシャフトの作用角を測定した。

表１に、サンプルＮｏ．１－１０の距離Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤ、プレイグニッションが発生した上死点前の作用角（°）を示した。表１には、おねじ２２のピッチＸの４倍の値（４Ｘ）、及び、距離Ｃの１．５倍の値（１．５Ｃ）も記した。

表１に示すようにサンプルＮｏ．８－１０は、上死点より手前に進角させる前にプレイグニッションが発生した。サンプルＮｏ．８は距離Ａが４Ｘ以上であり、且つ、距離Ｃが３．２ｍｍよりも大きいので、絶縁体１１から主体金具２０への熱伝導が悪く、プレイグニッションの発生を抑制できなかったと推察される。Ｎｏ．９は距離Ａが４Ｘ以上であり、Ｎｏ．１０は距離Ｂが１５ｍｍよりも大きいので、Ｎｏ．８と同様に絶縁体１１から主体金具２０への熱伝導が悪く、プレイグニッションの発生を抑制できなかったと推察される。

これに対しサンプルＮｏ．１－７は、上死点より手前に進角させることができた。Ｎｏ．１－７は０ｍｍ＜Ａ＜４Ｘ（ｍｍ）、Ｂ≦１５ｍｍ、且つ、Ｃ≦３．２ｍｍの関係を満たすので、絶縁体１１から主体金具２０の熱伝導により、絶縁体１１の過熱によるプレイグニッションを抑制できたと推察される。

特にＮｏ．１－６は点火時期を上死点前１０°以上に設定できた。Ｎｏ．１－６は０ｍｍ＜Ａ＜４Ｘ（ｍｍ）、Ｂ≦１５ｍｍ、且つ、Ｃ≦３．２ｍｍの関係を満たし、さらにＣ≦Ｄの関係を満たすので、絶縁体１１から主体金具２０への熱伝導をさらに良くすることができたと推察される。

Ｎｏ．１－４は点火時期を上死点前２０°以上に設定できた。Ｎｏ．１－４は０ｍｍ＜Ａ＜４Ｘ（ｍｍ）、Ｂ≦１２ｍｍ、Ｃ≦３．２ｍｍ、かつ、Ｃ≦Ｄの関係を満たすので、絶縁体１１から主体金具２０への熱伝導をさらに良くすることができたと推察される。

特にＮｏ．１－３は点火時期を上死点前３０°以上に設定できた。Ｎｏ．１－３は０ｍｍ＜Ａ＜４Ｘ（ｍｍ）、Ｂ≦１２ｍｍ、Ｃ≦３．２ｍｍ、かつ、１．５Ｃ≦Ｄの関係を満たすので、絶縁体１１から主体金具２０への熱伝導をさらに良くすることができたと推察される。

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。例えばキャップ部５０の形状や貫通孔５１の数や形状、大きさ、副室５２の形状等は適宜設定できる。

実施形態では、主体金具２０の棚部２８と絶縁体１１の段部１３との間にパッキン３０（別部材）が介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。パッキン３０を省略し、主体金具２０の棚部２８を絶縁体１１の段部１３に直接接触させて、絶縁体１１の段部１３に主体金具２０の棚部２８が接する接触部３１を形成することは当然可能である。この場合も絶縁体１１の接触部３１から主体金具２０の棚部２８に熱が伝わるので、本実施形態と同様の作用効果が得られる。

実施形態では、おねじ２２と鍔部２６との間にガスケット（図示せず）が介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。鍔部２６の座面２７をテーパ面にして、ガスケットを省略した、いわゆるテーパシートタイプのスパークプラグ１０にすることは当然可能である。この場合も主体金具２０の座面からエンジンに熱が伝わるので、本実施形態と同様の作用効果が得られる。

実施形態では、主体金具２０の先端部２１を貫通する接地電極４０を、おねじ２２の位置に設け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。例えば、主体金具２０の先端部２１の先端面が露出するようにキャップ部を配置して、先端部２１の先端面に接地電極を接続することは当然可能である。接地電極の形状は直線状であっても屈曲していても良い。キャップ部に接地電極を接合しても良い。

実施形態では、接地電極４０の端部４１が中心電極１５の先端側に配置され、中心電極１５の先端側に火花ギャップ４２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。例えば、中心電極１５の側面と離隔して接地電極４０の端部４１を配置し、中心電極１５の側面と接地電極４０の端部４１との間に火花ギャップ４２を形成することは当然可能である。また、接地電極４０を複数配置して火花ギャップ４２を複数設けることは当然可能である。

１０ スパークプラグ
１１ 絶縁体
１２ 軸孔
１３ 段部
１４ 絶縁体の先端
１５ 中心電極
２０ 主体金具
２２ おねじ
２３ 完全ねじ部
２５ 完全ねじ部の後端のねじ山の頂
２６ 鍔部
２７ 座面
２８ 棚部
３０ パッキン（他部材）
３１ 接触部
３２ 接触部の後端
４０ 接地電極
４１ 接地電極の端部
４２ 火花ギャップ
５０ キャップ部
５１ 貫通孔
５２ 副室
５３ 副室の先端
Ｏ 軸線

Claims (4)

1. 軸線に沿って延びる軸孔が形成され、外周に径方向外側に突出する段部を備える筒状の絶縁体と、
   前記軸孔に配置された中心電極と、
   内周に径方向内側に突出する棚部と、外周に形成されたおねじと、前記おねじの後端側に位置する座面を含む鍔部と、を備え、前記絶縁体の外周に配置され、先端側から前記段部を直接または他部材を介して前記棚部が係止し、前記段部に前記棚部または前記他部材が接する接触部を形成する筒状の主体金具と、
   前記主体金具に電気的に接続され、前記中心電極と自身の端部との間に火花ギャップを形成する接地電極と、
   前記主体金具の先端側において、前記中心電極と前記接地電極の端部とを先端側から覆うと共に貫通孔が形成されたキャップ部と、を備えるスパークプラグであって、
   前記軸線を含む断面において、
   前記接触部の後端と前記主体金具との間に隙間があり、
   前記おねじのピッチをＸ（ｍｍ）、
   前記おねじのうち完全ねじ部の後端のねじ山の頂と前記接触部の後端との間の軸線方向の距離をＡ（ｍｍ）、
   前記接触部の後端と前記絶縁体の先端との間の軸線方向の距離をＢ（ｍｍ）、
   前記接触部の後端と前記座面との間の軸線方向の距離をＣ（ｍｍ）としたとき、
   ０＜Ａ＜４Ｘ、２≦Ｂ≦１５、かつ、Ｃ≦３．２を満たすスパークプラグ。
2. 前記軸線を含む断面において、
   前記キャップ部により形成される副室の先端と前記接触部の後端との間の軸線方向の距離をＤ（ｍｍ）としたとき、Ｃ≦Ｄを満たす請求項１記載のスパークプラグ。
3. １．５Ｃ≦Ｄを満たす請求項２記載のスパークプラグ。
4. Ｂ≦１２を満たす請求項１から３のいずれかに記載のスパークプラグ。

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