JP7227842B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明はスパークプラグに関する。

点火室を備えたスパークプラグが開発されている。例えば、特許文献１のプレチャンバー点火プラグは、円筒状の金属製のハウジングと、中心電極と接地電極との両方を取り囲み点火室を形成する点火室キャップと、を備えている。点火室キャップは、混合気が燃焼室から点火室へ流入することを許容する複数のオリフィスが形成されている。この点火プラグでは、点火室内での着火によりオリフィスから燃焼室内にトーチ状の火炎を噴出させて燃焼室内の混合気を燃焼させる。

特開２０１２－１９９２３６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された点火プラグでは、点火室がオリフィスを除いて閉じられている構造であるため、着火時に点火室内部の温度が高くなり易い。特に、点火室内部の温度は、先端側ほど高くなる傾向にある。また、点火室キャップとハウジングとの接合部分は、溶接されているため、冷熱が生じると熱応力が発生することになる。この熱応力は、熱勾配が大きくなるほど大きくなり、クラックを生じさせ易くなる。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、副室を形成するカバー部を備えるスパークプラグにおいて、カバー部と主体金具の接合部分にクラックが生じることを防ぐことを目的とする。本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）中心電極と、
前記中心電極の先端部に対向する対向部を有し、前記対向部と前記中心電極の前記先端部との間に放電ギャップを形成する接地電極と、
前記中心電極の前記先端部が自身の先端よりも露出した状態で前記中心電極を内部に収容する筒状の絶縁体と、
前記絶縁体を内部に収容する筒状の主体金具と、
前記中心電極の前記先端部と、前記接地電極の前記対向部と、を先端側から覆って、副室を形成するとともに、前記主体金具の先端側に接合され、貫通孔たる噴孔が形成されたカバー部と、
を備えたスパークプラグであって、
前記カバー部を構成する材料の常温での第１熱膨張率Ａ（１０^－５／Ｋ）と、前記主体金具の常温での第２熱膨張率Ｂ（１０^－５／Ｋ）とは、式（１）を満たすスパークプラグ。
Ａ＜Ｂ …式（１）

本発明のスパークプラグは、カバー部を構成する材料の常温での第１熱膨張率Ａ（１０^－５／Ｋ）と、主体金具の常温での第２熱膨張率Ｂ（１０^－５／Ｋ）と、の関係としてＡ＜Ｂとなる構成を採用することで、主体金具とカバー部の接合部分に生じる熱応力を低減させることができ、接合部分にクラックが生じることを防ぐことができる。

（２）前記第１熱膨張率Ａ（１０^－５／Ｋ）と、前記第２熱膨張率Ｂ（１０^－５／Ｋ）とは、式（２）を満たす（１）に記載のスパークプラグ。
０．８４＜Ａ／Ｂ＜１．００ …式（２）

このスパークプラグは、カバー部を構成する材料の常温での第１熱膨張率Ａ（１０^－５／Ｋ）と、主体金具の常温での第２熱膨張率Ｂ（１０^－５／Ｋ）と、の関係式として０．８４＜Ａ／Ｂ＜１．００となる構成を採用することで、カバー部の熱膨張の度合いと主体金具の熱膨張の度合いの差によって発生する応力の差を低減し、カバー部と主体金具との間に発生する熱応力を低減し、クラックが生じることを防ぐことができる。

（３）前記接地電極は、前記主体金具に接続され、
前記主体金具は、自身の先端側に燃焼室と螺合されるねじ部を有し、
前記カバー部と、前記主体金具との接合部分が、前記接地電極よりも先端側に位置する（１）又は（２）に記載のスパークプラグ。

このスパークプラグは、主体金具がねじ部を介して燃焼室と螺合されるため、主体金具の先端側に生じる熱がねじ部を介して燃焼室側に逃がされる。そして、接地電極がカバー部と主体金具との接合部分よりも後端側にあることでねじ部と近い位置となるため、放電ギャップ付近で生じる熱を、接地電極から主体金具のねじ部を介して燃焼室側に逃がし易くなる。

第１実施形態におけるスパークプラグの構成を示す断面図である。 第１実施形態におけるスパークプラグの一部拡大断面図である。

＜第１実施形態＞
以下、スパークプラグ１００の第１実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明では、図１の下方側をスパークプラグ１００の先端側（前方側）と呼び、図１の上方側を後端側とする。
図１は、第１実施形態におけるスパークプラグ１００の概略構成を示す断面図である。図１では、スパークプラグ１００の中心軸線ＣＸ（スパークプラグの軸線）が一点鎖線で図示されている。

スパークプラグ１００は、内燃機関に取り付けられて、燃焼室内の混合気の点火に用いられる。内燃機関に取り付けられたときには、スパークプラグ１００の先端側（紙面下側）は内燃機関の燃焼室内に配置され、後端側（紙面上側）は燃焼室の外部に配置される。スパークプラグ１００は、中心電極１０と、接地電極１３と、絶縁体２０と、端子電極３０と、主体金具４０と、を備えている。

中心電極１０は、軸状の電極部材によって構成され、その中心軸がスパークプラグ１００の中心軸線ＣＸと一致するように配置されている。中心電極１０は、その先端部１１が、主体金具４０の先端側開口部４０Ａよりも後端側（紙面上側）に位置するように、絶縁体２０を介して主体金具４０に保持されている。中心電極１０は、後端側に配置されている端子電極３０を介して外部電源に電気的に接続される。

接地電極１３は、主体金具４０の先端側開口部４０Ａよりわずかに後端側（紙面上側）の位置から、中心電極１０の先端部１１よりわずかに先端側（紙面下側）の位置に向かって延伸している棒状の電極である。具体的には、接地電極１３は、主体金具４０の先端側開口部４０Ａのわずかに後端側（紙面上側）の位置に接続されている。そして、接地電極１３は、中心電極１０の先端部１１の前方まで延びている。図２に示すように、接地電極１３は、中心電極１０の先端部１１に対向する対向部１３Ａを有している。接地電極１３の対向部１３Ａと、中心電極１０の先端部１１との間に放電ギャップＳＧが形成されている。

絶縁体２０は、中心を貫通する軸孔２１を有する筒状部材である。絶縁体２０は、例えば、アルミナや、窒化アルミニウム等のセラミック焼結体によって構成される。絶縁体２０の軸孔２１の先端側には、中心電極１０が、その先端部１１が露出した状態で収容されている。軸孔２１の後端側には軸状の電極部材である端子電極３０が保持されている。端子電極３０の後端部３１は、外部電源と接続可能なように、絶縁体２０の後端開口部２２から延出している。中心電極１０と端子電極３０とは、火花放電発生時における電波雑音の発生を抑制するために、ガラスシール材に挟まれた抵抗体３５を介して電気的に接続されている。絶縁体２０の中心軸は、スパークプラグ１００の中心軸線ＣＸと一致している。

主体金具４０は、中心に筒孔４１を有する略円筒状の金属部材である。主体金具４０は、例えば、低炭素鋼、銅系合金等によって構成される。主体金具４０の中心軸はスパークプラグ１００の中心軸線ＣＸと一致する。主体金具４０の先端側開口部４０Ａ付近には、上述したように、接地電極１３が取り付けられている。図２に示すように、主体金具４０の先端側開口部４０Ａは、内縁部分から後端側に凹む凹部４０Ｂが形成されている。また、主体金具４０の内側における縮径部分と絶縁体２０との間には、パッキン４３が設けられている。パッキン４３は、例えば、主体金具４０を構成する金属材料よりも軟質の金属材料によって構成されている。また、主体金具４０は、自身の先端側に燃焼室と螺合されるねじ部４５を有している。ねじ部４５は、主体金具４０の先端側から後端側に向かう螺旋状のねじ山によって構成されている。

スパークプラグ１００は、カバー部５０を備えている。カバー部５０は、ドーム状に形成されている。カバー部５０は、例えば、ステンレス、ニッケル系合金、銅系合金等によって構成される。カバー部５０は、主体金具４０の先端に環状に接合されている。カバー部５０と主体金具４０の接合部分６０は、公知の溶接法（レーザー溶接等）によって形成されている。カバー部５０と主体金具４０の接合部分６０は、接地電極１３よりも先端側に位置している。図２に示すように、カバー部５０の後端側開口部５２Ａは、主体金具４０の先端側開口部４０Ａに接合されている。カバー部５０の後端側開口部５２Ａは、内縁部分から後端側に突出する凸部５２Ｂが形成されている。カバー部５０の凸部５２Ｂは、主体金具４０の凹部４０Ｂに嵌まり込んでいる。これによりカバー部５０が熱膨張するときに、凸部５２Ｂが凹部４０Ｂに嵌まり込む方向に膨張するため、カバー部５０と主体金具４０の接合が外れ難くなる。

カバー部５０は、中心電極１０の先端部１１、及び接地電極１３の対向部１３Ａを前方側から覆っている。カバー部５０によって囲まれた空間が、プレチャンバー空間（副室）６３とされている。カバー部５０は、後端側からその頂部５１Ａに近いほど厚みが徐々に小さくなっている。

図２に示すように、カバー部５０には、その頂部５１Ａよりも後端側に複数の噴孔６１が形成されている。噴孔６１は、例えば、４個形成されている。噴孔６１はいずれも略円柱形の貫通孔である。噴孔６１はいずれも、自身の中心軸線ＡＸがスパークプラグ１００の中心軸線ＣＸに対して傾斜している。複数の噴孔６１は、スパークプラグ１００の中心軸線ＣＸを中心とする仮想円周上に位置している。複数の噴孔６１は、上記仮想円周上において等間隔に配列している。カバー部５０に覆われた空間であるプレチャンバー空間６３は、着火室として構成され、噴孔６１を介して燃焼室と連通する。

本第１実施形態のスパークプラグ１００は、カバー部５０を構成する材料の常温での第１熱膨張率Ａ（１０^－５／Ｋ）と、主体金具４０の常温での第２熱膨張率Ｂ（１０^－５／Ｋ）とが、下記（１）式を満たす。
Ａ＜Ｂ …（１）
１．０４≦Ａ≦１．７７ …（３）
１．２２≦Ｂ≦１．７８ …（４）
このスパークプラグ１００は、カバー部５０を構成する材料の常温での第１熱膨張率Ａ（１０^－５／Ｋ）と、主体金具４０の常温での第２熱膨張率Ｂ（１０^－５／Ｋ）と、の関係としてＡ＜Ｂとなる構成を採用することで、主体金具４０とカバー部５０の接合部分６０に生じる熱応力を低減させることができ、接合部分６０にクラックが生じることを防ぐことができる。

また、本第１実施形態のスパークプラグ１００は、第１熱膨張率Ａ（１０^－５／Ｋ）と、第２熱膨張率Ｂ（１０^－５／Ｋ）とが、下記（２）式を満たす。
０．８４＜Ａ／Ｂ＜１．００ …（２）
このスパークプラグ１００は、カバー部５０を構成する材料の常温での第１熱膨張率Ａ（１０^－５／Ｋ）と、主体金具４０の常温での第２熱膨張率Ｂ（１０^－５／Ｋ）と、の関係式として０．８４＜Ａ／Ｂ＜１．００となる構成を採用することで、カバー部５０の熱膨張の度合いと主体金具４０の熱膨張の度合いの差によって発生する応力の差を低減し、カバー部５０と主体金具４０との間に発生する熱応力を低減し、接合部分６０にクラックが生じることを防ぐことができる。

また、本第１実施形態のスパークプラグ１００は、接地電極１３が、主体金具４０に接続されている。主体金具４０は、自身の先端側に燃焼室と螺合されるねじ部４５を有している。そして、カバー部５０と、主体金具４０との接合部分６０が、接地電極１３よりも先端側に位置している。
このスパークプラグ１００は、主体金具４０がねじ部４５を介して燃焼室と螺合されるため、主体金具４０の先端側に生じる熱がねじ部４５を介して燃焼室側に逃がされる。そして、接地電極１３がカバー部５０と主体金具４０との接合部分６０よりも後端側にあることでねじ部４５と近い位置となるため、放電ギャップＳＧ付近で生じる熱を、接地電極１３から主体金具４０のねじ部４５を介して燃焼室側に逃がし易くなる。

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。

１．実験１（第１実施形態に対応する実験）
（１）実験方法
（１．１）実験例１（実施例）
図１、２に示されるスパークプラグ１００のサンプルを用いた。詳細な条件は、下記の表１に記載した。このスパークプラグ１００は、第１実施形態の要件を満たしている。表１において、実験例を「Ｎｏ．」を用いて示す。表１のＮｏ．３～６，９，１０，１２～１８は実施例である。
（１．２）実験例２（比較例）
図１、２に示されるスパークプラグ１００とは異なる構成のスパークプラグのサンプルを用いた。詳細な条件は、下記の表１に記載した。このスパークプラグは、第１実施形態の要件を満たしていない。表１において「１＊」のように、「＊」が付されている場合には、比較例であることを示している。すなわち、表１のＮｏ．１，２，７，８，１１は比較例である。

（２）評価方法
（２．１）耐剥離性評価試験
各サンプルについて、耐剥離性評価試験を行った。耐剥離性評価試験の概要は次の通りである。各サンプルを、排気量１．３Ｌの自然吸気エンジンに取り付け、エンジンを運転して、高負荷となる全開状態（６０００ｒｐｍ）と、低負荷となるアイドル状態と、をそれぞれ６０秒ずつ維持する制御を繰り返す冷熱耐久試験を、合計１００時間行った。冷熱耐久試験後の各サンプルを、樹脂埋めし、カバー部と主体金具の接合部分の半断面（スパークプラグ１００の中心軸線ＣＸを通る平面の一方面側の断面）を光学顕微鏡で観察した。光学顕微鏡を用いて半断面を観察することによって、断面に沿った接合部分の長さと、酸化スケールの長さと、を測定した。接合が維持されている部分には、酸化スケールが発生せず、剥離が発生している部分には、酸化スケールが発生するため、接合が維持されている部分と、剥離が発生している部分と、を特定することができる。そして、半断面において、カバー部と主体金具の接合部分の全体の長さに対する、剥離が発生している部分の長さの割合（剥離割合）を算出した。

＜耐剥離性の評価＞
評価は以下のような３段階で行った。その結果を、表１の「耐剥離性」の欄に示した。
評価 ◎：剥離割合が１０％未満
〇：剥離割合が１０％以上５０％未満
×：剥離割合が５０％以上

（３）評価結果
実験例１（比較例）では、主体金具の常温での第２熱膨張率Ｂ（１０^－５／Ｋ）に対する、カバー部を構成する材料の常温での第１熱膨張率Ａ（１０^－５／Ｋ）の割合Ａ／Ｂが１．００であり、「耐剥離性」の評価が×であった。また、実験例２，７，８，１１（比較例）では、Ａ／Ｂがそれぞれ１．４６、１．０９、１．４５、１．００であり、いずれも「耐剥離性」の評価が×であった。一方で、実験例３～６，９，１０，１２～１８（実施例）では、いずれもＡ／Ｂ＜１、すなわちＡ＜Ｂであり、いずれも「耐剥離性」の評価が◎，又は〇であった。このように、実施例は、上記（１）式（Ａ＜Ｂ）を満たすことで、比較例と比較して、カバー部５０と主体金具４０の接合部分６０の剥離が抑制されていた。

実験例１０，１２～１６，１８（実施例）では、Ａ／Ｂがそれぞれ０．６８、０．５８、０．６２、０．６２、０．６２、０．７５、０．６５であり、「耐剥離性」の評価が〇であった。一方で、実験例３～６，９，１７（実施例）では、いずれも０．８４＜Ａ／Ｂ＜１．００であり、いずれも「耐剥離性」の評価が◎であった。このように、実施例は、上記（２）式（０．８４＜Ａ／Ｂ＜１．００）を満たすことで、カバー部５０と主体金具４０の接合部分６０の剥離がより一層抑制されていた。

＜他の実施形態（変形例）＞
なお、この発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

（１）上記実施形態では、カバー部の形状は、特定形状としたが、その形状は適宜変更することができる。カバー部の形状は、例えば、円筒、四角の箱型、円錐等とすることができる。
（２）上記実施形態では、特定数の噴孔を備えたスパークプラグを例示したが、噴孔の数は、特に限定されず、適宜変更できる。また、噴孔の配置、貫通方向も適宜変更可能である。

１０…中心電極
１１…先端部
１３…接地電極
１３Ａ…対向部
２０…絶縁体
２１…軸孔
２２…後端開口部
３０…端子電極
３１…後端部
３５…抵抗体
４０…主体金具
４０Ａ…先端側開口部
４０Ｂ…凹部
４１…筒孔
４３…パッキン
４５…ねじ部
５０…カバー部
５１Ａ…頂部
５２Ａ…後端側開口部
５２Ｂ…凸部
６０…接合部分
６１…噴孔
６３…プレチャンバー空間（副室）
１００…スパークプラグ
ＡＸ…中心軸線
ＣＸ…中心軸線
ＳＧ…放電ギャップ

Claims (3)

1. 中心電極と、
   前記中心電極の先端部に対向する対向部を有し、前記対向部と前記中心電極の前記先端部との間に放電ギャップを形成する接地電極と、
   前記中心電極の前記先端部が自身の先端よりも露出した状態で前記中心電極を内部に収容する筒状の絶縁体と、
   前記絶縁体を内部に収容する筒状の主体金具と、
   前記中心電極の前記先端部と、前記接地電極の前記対向部と、を先端側から覆って、副室を形成するとともに、前記主体金具の先端側に接合され、貫通孔たる噴孔が形成されたカバー部と、
   を備えたスパークプラグであって、
   前記カバー部を構成する材料の常温での第１熱膨張率Ａ（１０^－５／Ｋ）と、前記主体金具の常温での第２熱膨張率Ｂ（１０^－５／Ｋ）とは、式（１）を満たすスパークプラグ。
   Ａ＜Ｂ …式（１）
2. 前記第１熱膨張率Ａ（１０^－５／Ｋ）と、前記第２熱膨張率Ｂ（１０^－５／Ｋ）とは、式（２）を満たす請求項１に記載のスパークプラグ。
   ０．８４＜Ａ／Ｂ＜１．００ …式（２）
3. 前記接地電極は、前記主体金具に接続され、
   前記主体金具は、自身の先端側に燃焼室と螺合されるねじ部を有し、
   前記カバー部と、前記主体金具との接合部分が、前記接地電極よりも先端側に位置する請求項１又は２に記載のスパークプラグ。

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