JP7267228B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は中心電極と接地電極との間に火花ギャップが形成されたスパークプラグに関する。

中心電極と、中心電極を絶縁保持する主体金具と、主体金具に接続された接地電極と、を備えるスパークプラグにおいて、特許文献１（図５）には、主体金具に形成された貫通孔に接地電極の一端部が保持され、接地電極の他端部の側面と中心電極の先端面とが対向し、その間を火花ギャップとする技術が開示されている。特許文献１に開示の技術では、接地電極の一端部と他端部との間に設けられた連結部の側面に面取り部が設けられている。面取り部があるので、接地電極の他端部から主体金具の貫通孔に接地電極を挿入して接地電極の一端部を貫通孔にはめる作業が容易である。

特開２０１９－４６６６０号公報

しかし上記技術では、接地電極の連結部に面取り部が設けられているために接地電極の他端部の体積が小さくなり、他端部の消耗によって早期に接地電極の寿命が尽きるおそれがある。

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、接地電極の寿命を長く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、軸線方向に延びる中心電極と、中心電極を絶縁保持し、厚さ方向に貫通する貫通孔が形成された筒状の主体金具と、貫通孔の内側に一端部が保持され、軸線方向に交わる方向に延び、他端部の側面と中心電極の先端面とが対向することで、軸線方向に沿う火花ギャップが形成される接地電極と、を備える。接地電極は、他端部の端面と側面とをつなぐ面取り部を備え、中心電極の先端面を軸線方向の先端側に向かって接地電極に投影したときに、先端面の投影領域の外に面取り部が位置する。

請求項１記載のスパークプラグによれば、接地電極は、接地電極の他端部の端面と側面とをつなぐ面取り部を備える。これにより接地電極の他端部の体積を十分に確保できる。そのうえ、中心電極の先端面を軸線方向の先端側に向かって接地電極に投影したときに、先端面の投影領域の外に面取り部が位置する。これにより中心電極の先端面と火花ギャップを介して対向する投影領域と交わる他端部の体積が小さくならないようにできる。その結果、他端部が消耗して寿命が尽きるまでの時間を長くできるので、接地電極の寿命を長くできる。

請求項２記載のスパークプラグによれば、接地電極は円柱状である。火花ギャップに生成した火炎核を成長させ、接地電極の円筒面に沿って火炎を先端側へ移動させ易くできるので、請求項１の効果に加え、着火性能を向上できる。

請求項３記載のスパークプラグによれば、接地電極の面取り部と側面との境界は、投影領域の外縁と離間しているので、面取り部に放電点が生じ難くなる。よって請求項１又は２の効果に加え、接地電極の寿命をさらに長くできる。

請求項４記載のスパークプラグによれば、キャップ部は主体金具の先端側において中心電極と接地電極の他端部とを先端側から覆う。キャップ部には、キャップ部の内部と外部とを連通するガス連通孔が形成されている。よってキャップ部の内部の可燃混合気が燃焼すると、そ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ガス連通孔から噴射する。キャップ部の内部にある接地電極は、過熱され易く消耗し易い環境に置かれているが、本発明を適用することで、接地電極の寿命を長くできる。

第１実施の形態におけるスパークプラグの部分断面図である。 スパークプラグの部分断面図である。 中心電極および接地電極の斜視図である。 第２実施の形態におけるスパークプラグの部分断面図である。

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は第１実施の形態におけるスパークプラグ１０の部分断面図である。図１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２及び図４においても同じ）。図１には、スパークプラグ１０の先端側の部位の軸線Ｏを含む断面が図示されている。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１４、主体金具２０及び接地電極３０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の軸孔１２には中心電極１４が配置されている。

中心電極１４は導電性を有する棒状の部材である。中心電極１４は、熱伝導性に優れる芯材が埋設された母材１５と、母材１５に接合された放電部材１６と、を備えている。母材１５は、Ｎｉ又はＮｉを主成分とする合金で形成されている。芯材はＣｕ又はＣｕを主成分とする合金で形成されている。芯材は省略できる。放電部材１６は、例えば母材１５よりも耐火花消耗性の高いＰｔ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｒｈ等の貴金属やＷ、又は、貴金属やＷを主体とする合金によって形成されている。中心電極１４は、軸孔１２内で端子金具１８と電気的に接続されている。

端子金具１８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１８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、先端部２１の外周面におねじ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。

主体金具２０は、おねじ２２の後端側に鍔部２３及び工具係合部２４が設けられている。鍔部２３は、おねじ２２の軸力を受ける部位である。工具係合部２４は、エンジン（図示せず）のねじ穴におねじ２２を締め付けたり緩めたりするときに、レンチ等の工具を係合させる部位である。

主体金具２０には、先端部２１の厚さ方向に貫通する貫通孔２７が形成されている。接地電極３０は貫通孔２７に配置され、先端部２１の内側に突き出ている。接地電極３０はＰｔ，Ｎｉ，Ｉｒ等を主成分とする金属製の棒状の部材である。

図２はスパークプラグ１０の軸線Ｏを含む部分断面図である。中心電極１４の先端面１７は、絶縁体１１の先端よりも先端側（図２下側）に位置する。絶縁体１１の外周には、先端側を向く面をもつ段部１３が設けられている。主体金具２０の先端部２１の内周には、後端側を向く面をもつ棚部２５が設けられている。棚部２５は段部１３より先端側に位置する。棚部２５と段部１３との間にパッキン２６が介在する。パッキン２６は円環状の板材であり、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ている。棚部２５はパッキン２６を介して段部１３を係止する。パッキン２６は段部１３及び棚部２５に密着している。

主体金具２０の貫通孔２７の周囲には、主体金具２０のおねじ２２の谷よりも深く、貫通孔２７より大きい凹み２８が形成されている。本実施形態では、凹み２８の底は円環状の平面である。接地電極３０の一端部３１の端面３１ａと凹み２８の底とは同一面上に位置する。

主体金具２０の貫通孔２７は、軸線方向において、中心電極１４の先端面１７と主体金具２０の先端面２９との間に形成されている。接地電極３０の一端部３１は、主体金具２０の貫通孔２７に保持されている。一端部３１は溶接部（図示せず）により主体金具２０に接合されている。接地電極３０は直線状に形成されており、軸線方向に交わる方向（本実施形態では軸線Ｏにほぼ垂直）に延びている。

接地電極３０の他端部３２は、軸線方向において、中心電極１４の先端面１７と主体金具２０の先端面２９との間に位置する。接地電極３０の側面３３と端面３４とをつなぐ面取り部３５が、接地電極３０の他端部３２に設けられている。接地電極３０の他端部３２の側面３３と中心電極１４の先端面１７とが対向し、軸線方向に沿う火花ギャップ３７が形成されている。

図３は中心電極１４及び接地電極３０の斜視図である。図３では接地電極３０の他端部３２の周りが図示され、それ以外の図示が省略されている。

図３に示すように本実施形態では接地電極３０は円柱状であり、接地電極３０の中心線Ｃに垂直な断面は円形である。接地電極３０の側面３３は円筒面であり、側面３３と端面３４とをつなぐ面取り部３５は円錐面である。側面３３と面取り部３５との境界３６は円である。接地電極３０の断面積は、一端部３１のうち溶接部（図示せず）に溶け込んでいる部分および面取り部３５を除き、中心線Ｃの全長に亘って一定である。

スパークプラグ１０の製造工程において、接地電極３０は、他端部３２から主体金具２０の貫通孔２７に挿入され、貫通孔２７に一端部３１がはめられる。従って他端部３２の断面積の上限は、貫通孔２７の面積に等しい。他端部３２の断面積を貫通孔２７の面積にほぼ等しくするには、接地電極３０と貫通孔２７とのはめ合いをしまりばめ（圧入構造）に設定する必要がある。

接地電極３０の他端部３２に面取り部３５が形成されているので、接地電極３０と貫通孔２７とのはめ合いがしまりばめに設定されていても、接地電極３０を貫通孔２７に挿入する作業が容易である。なお、接地電極３０の一端部３１と貫通孔２７とのはめ合いは、ゆるみばめや中間ばめでも良い。

接地電極３０を貫通孔２７に挿入し、凹み２８の中に入れた治具（図示せず）で接地電極３０の一端部３１の端面３１ａと凹み２８の底とを押し付けると、一端部３１の端面３１ａと凹み２８の底とは同一面上に位置する。これにより先端部２１の内側に接地電極３０が突き出す長さを精度良く管理できる。一端部３１と貫通孔２７とのはめ合いがしまりばめに設定されていると、接地電極３０が突き出す長さを特に精度良くできる。接地電極３０の一端部３１を貫通孔２７にはめた後、一端部３１は主体金具２０に溶接される。

図３に示すように、中心電極１４の先端面１７を軸線方向の先端側（図３下側）に向かって接地電極３０に投影したときに、先端面１７の投影領域３８の外に面取り部３５が位置する。「投影領域３８の外に面取り部３５が位置する」というのは、接地電極３０の側面３３と面取り部３５との境界３６に、投影領域３８の外縁３９が接することも含む。

本実施形態とは異なり、投影領域３８の中に面取り部３５が位置する場合には、投影領域３８によって切り取られる接地電極３０の他端部３２の体積が、面取り部３５の分だけ小さくなってしまう。接地電極３０の側面３３と投影領域３８とが交わる面は、中心電極１４の先端面１７と接地電極３０の他端部３２との間の絶縁が破れると放電点が形成され易いので、消耗し易い。接地電極３０のうち消耗し易い部分の体積が小さいと、接地電極３０の寿命が早期に尽きるおそれがある。

しかし、本実施形態によれば投影領域３８の外に面取り部３５が位置するので、投影領域３８と交わる他端部３２の体積が、面取り部３５によって小さくならないようにできる。これにより接地電極３０の他端部３２が消耗して寿命が尽きるまでの時間を長くできるので、接地電極３０の寿命を長くできる。

本実施形態では、接地電極３０の側面３３と面取り部３５との境界３６は、投影領域３８の外縁３９と離間している。これにより面取り部３５に放電点が生じ難くなる。体積が予め小さくなっている面取り部３５の火花消耗を低減できるので、接地電極３０の寿命をさらに長くできる。投影領域３８の外縁３９と境界３６との間の距離Ｇは、例えば０．０１ｍｍ以上である。

接地電極３０は円柱状なので、接地電極３０の側面３３は円筒面である。これにより接地電極３０による消炎作用を抑制して、火花ギャップ３７に生成した火炎核を成長させ易くできる。接地電極３０の他端部３２は、主体金具２０の円筒状の先端部２１に周囲が囲まれているので、接地電極３０の側面３３を円筒面にすることで、主体金具２０の先端側に火炎を流れ易くできる。よってスパークプラグ１０の着火性能を向上できる。

図４を参照して第２実施の形態について説明する。第１実施形態では、中心電極１４と接地電極３０の他端部３２とが開放されているスパークプラグ１０について説明した。これに対し第２実施形態では、中心電極１４と接地電極３０の他端部３２とを覆うキャップ部４３を備えるスパークプラグ４０について説明する。なお、第１実施形態で説明した部分と同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。

図４は第２実施の形態におけるスパークプラグ４０の部分断面図である。図４に示すようにスパークプラグ４０は、絶縁体１１、中心電極１４、接地電極３０、主体金具４１及びキャップ部４３を備えている。

主体金具４１の先端部２１の内周面には、貫通孔２７よりも先端側に、環状の凹部４２が形成されている。凹部４２にキャップ部４３の後端部４４がはまっている。本実施形態では、キャップ部４３は溶接部（図示せず）により主体金具４１に接合されている。キャップ部４３は、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕを主成分とする金属材料で形成されている。

キャップ部４３は、中心電極１４及び接地電極３０の他端部３２を先端側から覆う。主体金具４１とキャップ部４３とに囲まれて副室４５ができる。エンジン（図示せず）にスパークプラグ４０が取り付けられた状態で、キャップ部４３はエンジンの燃焼室に露出する。キャップ部４３には、接地電極３０よりも先端側にガス連通孔４６が形成されている。ガス連通孔４６は副室４５と燃焼室とを連通する。本実施形態では、ガス連通孔４６はキャップ部４３に複数形成されている。

エンジン（図示せず）に取り付けられたスパークプラグ４０には、エンジンのバルブ操作により、燃焼室からガス連通孔４６を通ってキャップ部４３の内側の副室４５に可燃混合気が流入する。スパークプラグ４０は、中心電極１４と接地電極３０との間の放電により、火花ギャップ３７に火炎核を生成する。火炎核が成長すると副室４５内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４０は火炎を含むガス流をガス連通孔４６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。

接地電極３０の他端部３２は、キャップ部４３に覆われているので、過熱され易く消耗し易い環境に置かれている。しかし第１実施形態と同様に、中心電極１４の先端面１７を軸線方向の先端側（図３下側）に向かって接地電極３０に投影したときに、先端面１７の投影領域３８の外に面取り部３５が位置するので、接地電極３０の寿命を長くできる。さらに接地電極３０は円柱状なので、火炎を含むガス流の接地電極３０による抵抗を低減できる。よってスパークプラグ４０の着火性能を向上できる。

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４３の形状やガス連通孔４６の数や形状、大きさ等は適宜設定できる。

実施形態では、母材１５に放電部材１６が接続されている中心電極１４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。放電部材１６を省略することは当然可能である。放電部材１６が省略された場合には、中心電極１４の先端面は、母材１５の先端面のことをいう。

実施形態では、接地電極３０の面取り部３５が円錐面の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。接地電極３０の面取り部３５を球帯にすることは当然可能である。接地電極３０の面取り部３５が球帯の場合も、本実施形態と同様の作用効果が実現できる。

実施形態では、接地電極３０の形状が円柱（接地電極３０の断面が円）の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。他の形状の接地電極３０を採用することは当然可能である。他の形状としては、例えば楕円柱や角柱が挙げられる。角柱は、断面が三角形、四角形、五角形などの任意の形状が挙げられる。角柱の側面同士が交わる角に丸みを設けることは当然可能である。

接地電極３０が角柱の場合に、面取り部３５は、角柱の複数の側面と角柱の端面とが交わってできる角の全体に形成される。接地電極３０の端面と側面とをつなぐ角の全体に面取り部３５を設けることにより、主体金具２０，４１の貫通孔２７に接地電極３０を挿入する作業を容易にするためである。接地電極３０が楕円柱や角柱の場合に、主体金具２０，４１に形成される貫通孔２７の形状は、楕円柱や角柱の断面形状とほぼ等しい楕円や多角形である。

実施形態では、主体金具４１にキャップ部４３が溶接されてい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。キャップ部４３の代わりに、先端にキャップ部が形成された筒状部材を準備し、これを主体金具２０に接続して副室４５を形成することは当然可能である。筒状部材は先端が閉じた筒状の部材であり、主体金具２０のおねじ２２に結合するめねじが内周面に形成されている。筒状部材の外周面には、エンジン（図示せず）のねじ穴に結合するおねじが形成されている。筒状部材のめねじを主体金具２０のおねじ２２に結合することにより、主体金具２０の先端側にキャップ部が配置される。このキャップ部にガス連通孔４６が形成される。

なお、筒状部材を主体金具２０に接続して主体金具２０の先端側にキャップ部を配置する手段は、筒状部材の内周面のめねじを、主体金具２０のおねじ２２に結合するものに限らない。他の手段によって、キャップ部が設けられた筒状部材を主体金具２０に接続することは当然可能である。他の手段としては、例えば筒状部材と主体金具２０とを溶接等によって接合するものが挙げられる。筒状部材は、例えばニッケル基合金やステンレス鋼等の金属材料や窒化ケイ素等のセラミックスにより形成できる。

１０，４０ スパークプラグ
１４ 中心電極
１７ 中心電極の先端面
２０，４１ 主体金具
２７ 貫通孔
３０ 接地電極
３１ 一端部
３２ 他端部
３３ 側面
３４ 端面
３５ 面取り部
３６ 境界
３７ 火花ギャップ
３８ 投影領域
３９ 投影領域の外縁
４３ キャップ部
４６ ガス連通孔
Ｏ 軸線

Claims (4)

1. 軸線方向に延びる中心電極と、
   前記中心電極を絶縁保持し、厚さ方向に貫通する貫通孔が形成された筒状の主体金具と、
   前記貫通孔の内側に一端部が保持され、前記軸線方向に交わる方向に延び、他端部の側面と前記中心電極の先端面とが対向することで、前記軸線方向に沿う火花ギャップが形成される接地電極と、を備えるスパークプラグであって、
   前記接地電極は、前記他端部の端面と前記側面とをつなぐ面取り部を備え、
   前記接地電極の断面積は、前記一端部のうち溶接部に溶け込んでいる部分および前記面取り部を除き、全長に亘って一定であり、
   前記中心電極の前記先端面を前記軸線方向の先端側に向かって前記接地電極に投影したときに、前記先端面の投影領域の外に前記面取り部が位置するスパークプラグ。
2. 前記接地電極は円柱状である請求項１記載のスパークプラグ。
3. 前記面取り部と前記側面との境界は、前記投影領域の外縁と離間している請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
4. 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前記他端部とを先端側から覆うキャップ部を備え、
   前記キャップ部には、前記キャップ部の内部と外部とを連通するガス連通孔が形成されている請求項１から３のいずれかに記載のスパークプラグ。

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