JP7392563B2 - 内燃機関用のスパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用のスパークプラグに関する。

内燃機関用のスパークプラグにおいて、例えば、特許文献１に開示されているように、中心電極の先端部の熱引きを促進すべく、中心電極の内部に熱伝導性に優れた芯材を配置したものがある。そして、特許文献１に開示されたスパークプラグにおいて、芯材は、中心電極のうち絶縁碍子よりも先端側に突出した部分にも、配置されている。

特開２０１５－５６２５８号公報

しかしながら、上記スパークプラグにおいては、以下の課題がある。
すなわち、放電ギャップにおいて生じた放電の一端（以下において、適宜、放電端という。）が、絶縁碍子から露出している中心電極の側面を伝って基端側へ移動することがある。この場合、内側に芯材が配された位置まで放電端が達すると、芯材の外周を覆う部位の母材が、放電によって徐々に消耗することが考えられる。このように、中心電極の外周側からの消耗が進むと、内部の芯材が露出することが懸念される。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、芯材の露出を防ぎやすい、内燃機関用のスパークプラグを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、筒状の絶縁碍子（３）と、
該絶縁碍子の内周側に保持されると共に該絶縁碍子から先端側に突出する先端突出部（４１）を有する中心電極（４）と、
上記絶縁碍子を内周側に保持する筒状のハウジング（２）と、
上記先端突出部が配される副燃焼室（５０）を覆うよう上記ハウジングの先端部に設けられたプラグカバー（５）と、を有し、
上記プラグカバーには、上記副燃焼室を外部に連通させる噴孔（５１）が設けられており、
上記中心電極は、母材（４２）と、該母材内に配されるとともに該母材よりも熱伝導率が高い芯材（６）と、を有し、
上記芯材は、大径部（６１）と、その先端側に連続して形成された小径部（６２）とを有し、
上記小径部は、上記大径部よりも直径が小さく、かつ軸方向（Ｚ）の少なくとも一部において直径が一定となる小径柱状部（６２１）を有し、
上記小径柱状部の少なくとも一部は、上記絶縁碍子の先端よりも先端側に配されており、
放電ギャップ（Ｇ）と上記軸方向噴孔との間の軸方向の距離（ｄ１）は、上記放電ギャップと上記絶縁碍子の先端との間の軸方向の距離（ｄ２）よりも短い、内燃機関用のスパークプラグ（１）にある。

上記内燃機関用のスパークプラグにおいては、中心電極における芯材が、大径部と小径部とを有する。そして、小径部における小径柱状部の少なくとも一部が、絶縁碍子の先端よりも先端側に配されている。それゆえ、中心電極が外周側から消耗することによる芯材の露出を防ぎやすい。

以上のごとく、上記態様によれば、芯材の露出を防ぎやすい、内燃機関用のスパークプラグを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、スパークプラグの先端部付近の、軸方向に沿った断面図。 図１のII－II線矢視断面図。 図１のIII－III線矢視断面図。 実施形態１における、放電が引き伸ばされた状態を示す、断面説明図。 実施形態２における、スパークプラグの先端部付近の、軸方向に沿った断面図。 図５のVI－VI線矢視断面図。 実施形態２における、放電が形成された状態を示す、断面説明図。 実施形態２における、放電が引き伸ばされた状態を示す、断面説明図。 実施形態３における、スパークプラグの先端部付近の、軸方向に沿った断面図。 実施形態４における、スパークプラグの先端部付近の、軸方向に沿った断面図。 図１０のXI矢視図。 実施形態５における、スパークプラグの先端部付近の、軸方向に沿った断面図。 実施形態６における、中心電極の先端突出部付近の、軸方向に沿った断面図。 実施形態７における、スパークプラグの先端部付近の、軸方向に沿った断面図。

（実施形態１）
内燃機関用のスパークプラグに係る実施形態について、図１～図４を参照して説明する。
本形態の内燃機関用のスパークプラグ１は、図１に示すごとく、筒状の絶縁碍子３と、中心電極４と、筒状のハウジング２と、プラグカバー５と、を有する。

中心電極４は、絶縁碍子３の内周側に保持される。また、中心電極４は、絶縁碍子３から先端側に突出する先端突出部４１を有する。ハウジング２は、絶縁碍子３を内周側に保持する。プラグカバー５は、先端突出部４１が配される副燃焼室５０を覆うようハウジング２の先端部に設けられている。プラグカバー５には、副燃焼室５０を外部に連通させる噴孔５１が設けられている。

図１～図３に示すごとく、中心電極４は、母材４２と芯材６とを有する。芯材６は、母材４２内に配されるとともに母材４２よりも熱伝導率が高い。芯材６は、大径部６１と、その先端側に連続して形成された小径部６２とを有する。

小径部６２は、大径部６１よりも直径が小さい。また、小径部６２は、小径柱状部６２１を有する。小径柱状部６２１は、小径部６２における軸方向Ｚの少なくとも一部において直径が一定となる部位である。小径柱状部６２１の少なくとも一部は、絶縁碍子３の先端よりも先端側に配されている。

本形態のスパークプラグ１は、例えば、自動車、コージェネレーション等の内燃機関における着火手段として用いることができる。そして、スパークプラグ１の軸方向の一端を、内燃機関の燃焼室に配置する。この内燃機関の燃焼室を、上述の「副燃焼室５０」に対して、「主燃焼室１１」という。スパークプラグ１の軸方向Ｚにおいて、主燃焼室１１に露出する側を先端側、その反対側を基端側というものとする。

プラグカバー５は、ハウジング２の先端部に溶接等によって接合されている。スパークプラグ１が内燃機関に取り付けられた状態において、プラグカバー５は、副燃焼室５０を主燃焼室１１と区画している。図１に示すごとく、本形態において、プラグカバー５には、複数の噴孔５１が形成されている。副燃焼室５０にて生じた火炎は、噴孔５１から主燃焼室１１へ噴出する。また、内燃機関の圧縮行程等においては、図４に示すごとく、噴孔５１を通じて主燃焼室１１から副燃焼室５０へ気流Ａが導入される。

少なくとも一つの噴孔５１は、軸方向Ｚに開口している軸方向噴孔５１１である。本形態において、プラグカバー５は、一つの軸方向噴孔５１１と、複数の側方噴孔５１６とを有する。軸方向噴孔５１１は、中心電極４と軸方向Ｚに重なる位置に形成されている。側方噴孔５１６は、軸方向噴孔５１１の外周側に形成され、先端側へ向かうほど外周側へ向かうように傾斜している。

軸方向噴孔５１１は、副燃焼室５０側の開口端に、面取り部５１２を有する。面取り部５１２は、基端側へ向かうにつれて軸方向噴孔５１１が拡径するようなテーパ状に形成されている。

本形態のスパークプラグ１は、中心電極４の先端突出部４１に対して、外周側から対向配置された接地電極７を有する。接地電極７は、プラグカバー５におけるハウジング２との接合部付近に接合されている。接地電極７と中心電極４の先端突出部４１との間に、放電ギャップＧが形成されている。すなわち、放電ギャップＧは、先端突出部４１の外周面の一部に面して形成されている。

放電ギャップＧと軸方向噴孔５１１との間の軸方向Ｚの距離ｄ１は、放電ギャップＧと絶縁碍子３の先端との間の軸方向Ｚの距離ｄ２よりも短い。なお、本形態において、距離ｄ１は、放電ギャップＧの大きさよりも大きい。放電ギャップＧは、中心電極４とプラグカバー５との間の最短距離よりも、小さい。

中心電極４の母材４２は、耐熱性に優れた金属又は合金にて構成されている。母材４２は、例えばインコネル（登録商標）等のニッケル（Ｎｉ）基合金にて構成することができる。また、中心電極４の芯材６は、熱伝導性に優れた金属又は合金にて構成されている。芯材６は、例えば、銅又は銅合金にて構成することができる。また、プラグカバー５、及び接地電極７は、いずれも、例えばニッケル基合金等にて構成することができる。

図１～図３に示すごとく、中心電極４は、略円柱形状を有する。そして、軸方向Ｚに直交する断面において、図２、図３に示すごとく、芯材６の外周輪郭は、中心電極４の外周輪郭と略同心円となっている。そして、芯材６の大径部６１と小径部６２との境界部は、絶縁碍子３先端と、軸方向Ｚの位置が略同一である。

図１に示すごとく、大径部６１は、先端部の一部を除いて、略一定の直径を有する。また、小径部６２も、先端側の一部を除いて、略一定の直径を有する。この略一定の直径を有する部分が、小径柱状部６２１である。小径柱状部６２１よりも先端側の部分は、軸方向Ｚに沿った断面形状として、凸曲線状に形成されている。

中心電極４の先端突出部４１は、絶縁碍子３の内側に配された部分と直径が同等の第１部位４１１を有する。そして、第１部位４１１よりも先端側において、第１部位４１１よりも直径が小さい第２部位４１２を有する。芯材６の先端、すなわち芯材６の小径部６２の先端は、第１部位４１１の先端と、略同等の軸方向Ｚの位置に配置されている。第２部位４１２の外周側に、放電ギャップＧが形成されている。つまり、第２部位４１２は、全体もしくは大部分が、母材４２にて構成されている。

芯材６の大径部６１と小径部６２とは、いずれも中心電極４における略同一の直径を有する部位に形成されている。それゆえ、母材４２のうち小径部６２の外周側を被覆する部分は、大径部６１の外周側を被覆する部分よりも、厚みが大きい。

本形態において、小径部６２の基端は、絶縁碍子３の先端と略同等の軸方向Ｚの位置に形成されている。なお、芯材６の露出をより確実に防止する観点においては、小径部６２の基端は、絶縁碍子３の先端よりも基端側に位置することが望ましい。

次に、本形態の作用効果につき説明する。
上記内燃機関用のスパークプラグ１においては、中心電極４における芯材６が、大径部６１と小径部６２とを有する。そして、小径部６２における小径柱状部６２１の少なくとも一部が、絶縁碍子３の先端よりも先端側に配されている。それゆえ、中心電極４が外周側から消耗することによる芯材６の露出を防ぎやすい。

スパークプラグ１における接地電極７と中心電極４との間に電圧を印加することにより、放電ギャップＧに放電が形成される。このとき、放電ギャップＧに基端側へ向かう気流Ａが存在すると、図４に示すごとく、放電Ｓは、気流Ａによって基端側へ引き伸ばされる。特に、軸方向噴孔５１１から副燃焼室５０内に気流Ａが流入することにより、放電ギャップＧにも基端側へ向かう気流Ａが生じる。すなわち、例えば、内燃機関の圧縮行程において放電Ｓを生じさせる場合、軸方向噴孔５１１から副燃焼室５０内に流入し、放電ギャップＧを基端側へ通過する気流Ａによって、基端側へ引き伸ばされる。

そして、放電Ｓにおける、中心電極４側の放電端Ｓ１は、中心電極４の側面に沿って、基端側へ移動する。放電端Ｓ１は、僅かずつではあるが、中心電極４を消耗させる。中心電極４の外層は母材４２にて構成されているため、溶融することは防がれるが、消耗はする。それゆえ、仮に、母材４２のうち、芯材６の外周側を被覆する部位が、その厚み分消耗すると、内部の芯材６が露出することとなる。芯材６は、例えば、銅合金等、比較的融点が低い材料からなる場合、外部に露出すると、溶出するおそれがある。かかる事態が生じると、中心電極４の放熱性が低下してしまい、プレイグニッション等の不具合を招くことにもなりかねない。

そこで、芯材６が露出することを防ぐために、芯材６の直径を小さくして、外周を被覆する母材４２の厚みを大きくすることが考えられる。しかし、単純に芯材６を細くすると、中心電極４の放熱性が低下しやすい。それゆえ、この場合も、プレイグニッションの抑制効果が小さくなるおそれがある。

本形態のスパークプラグ１においては、芯材６に大径部６１と小径部６２とを設け、小径部６２を、中心電極４の中でも消耗が生じやすい先端突出部４１に設ける。これにより、極力、芯材６による放熱性を確保しつつ、芯材６の露出を防ぎやすい構造としている。しかも、芯材６の小径部６２が小径柱状部６２１を有し、小径柱状部６２１を先端突出部４１に配置している。これにより、先端突出部４１における熱伝導性を極力確保しつつ、芯材６の露出を防ぐことができる。その結果、全体として、中心電極４の放熱性を確保しつつ、芯材６の露出を防ぎやすい、スパークプラグ１を得ることができる。

また、本形態のスパークプラグ１は、プラグカバー５が軸方向噴孔５１１を有する。この場合、上述したような、基端側へ向かう気流Ａが、放電ギャップＧに生じやすい。そうすると、放電端Ｓ１が、中心電極４における芯材６が内在する部位の外周面まで、移動する現象が生じやすい。かかるスパークプラグ１において、芯材６の露出を防ぎやすい中心電極４の構造とすることで、スパークプラグ１の長寿命化を効果的に図ることができる。

また、放電ギャップＧと軸方向噴孔５１１との間の軸方向Ｚの距離ｄ１は、放電ギャップＧと絶縁碍子３の先端との間の軸方向Ｚの距離ｄ２よりも短い。この場合には、特に、軸方向噴孔５１１から副燃焼室５０に気流Ａが流入したとき、放電ギャップＧにも基端側へ向かう気流が生じやすい。それゆえ、上述の中心電極４の構造を採用することで、スパークプラグ１の長寿命化を効果的に図ることができる。

以上のごとく、本形態によれば、芯材の露出を防ぎやすい、内燃機関用のスパークプラグを提供することができる。

（実施形態２）
本形態は、図５～図８に示すごとく、放電ギャップＧを、中心電極４とプラグカバー５との間に形成した形態である。
本形態においては、実施形態１にて開示した接地電極７は、設けていない。しかし、プラグカバー５における、軸方向噴孔５１１の内周端縁の一部が、中心電極４の先端に対向する。そして、軸方向噴孔５１１の内周端縁の一部と、中心電極４の先端との間に、放電ギャップＧが形成される。したがって、プラグカバー５における、軸方向噴孔５１１の内周端縁の一部が、接地電極の役割を果たす。

より具体的には、放電ギャップＧは、中心電極４の先端と、軸方向噴孔５１１における副燃焼室５０側の端縁５１３との間に、形成される。そして、本形態においては、図６に示すごとく、放電ギャップＧは、中心電極４の周りの全周にわたり、周状に形成される。

本形態のスパークプラグ１においては、中心電極４に電圧を印加することで、図７に示すごとく、放電ギャップＧに放電Ｓが形成される。そして、軸方向噴孔５１１から副燃焼室５０内に気流Ａが流入すると、気流Ａによって、図８に示すごとく、放電Ｓが基端側へ伸びる。このとき、中心電極４側の放電端Ｓ１が、中心電極４の側面に沿って基端側へ移動する。

上述のように、本形態においては、放電ギャップＧが中心電極４の全周にわたり形成されるため、周方向におけるいずれの位置においても、中心電極４の外周面に沿った放電端Ｓ１の移動が生じ得る。ただし、例えば、中心電極４と軸方向噴孔５１１との位置関係を調整することで、放電Ｓの形成位置の制御は可能である。

芯材６の配置等、中心電極４の構造は、実施形態１と同様である。
その他は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本形態においても、実施形態１と同様に、中心電極４が外周側から消耗することによる芯材６の露出を防ぎやすい。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態３）
本形態は、図９に示すごとく、接地電極７をハウジング２から径方向の内側へ向かって突出させた形態である。
すなわち、本形態のスパークプラグ１は、接地電極７をハウジング２に接合している。接地電極７の突出端と中心電極４の外周面との間に、放電ギャップＧが形成される。また、本形態においては、放電ギャップＧが、ハウジング２の先端よりも基端側に形成されている。中心電極４の先端も、ハウジング２の先端よりも基端側に配されている。

その他は、実施形態１と同様である。
本形態においても、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態４）
本形態は、図１０に示すごとく、接地電極７を、プラグカバー５から基端側へ突出させるように接合した形態である。
本形態において、接地電極７は、軸方向噴孔５１１の内周面に接合している。そして、接地電極７は、軸方向Ｚに沿って立設されている。また、接地電極７は、副燃焼室５０に突出している。そして、接地電極７の突出端は、中心電極４の先端よりも、軸方向Ｚの基端側に位置している。接地電極７は、軸方向噴孔５１１側の側面において、中心電極４との間に放電ギャップＧを形成する。

本形態において、軸方向噴孔５１１は、図１１に示すごとく、中心電極４と略同軸状に形成された主孔部５１４と、主孔部５１４からその径方向外側へ延設された延設孔部５１５とを有する。この延設孔部５１５に、接地電極７の一部が配置されている。そして、延設孔部５１５の内周面に、接地電極７が接合されている。
その他は、実施形態１と同様である。

本形態においては、軸方向噴孔５１１から副燃焼室５０へ流入する気流が、接地電極７の側面に沿って、放電ギャップＧを基端側へ導かれやすい。それゆえ、圧縮行程等において、放電が引き伸ばされやすくなり、着火性を向上させることができる。そして、放電端が、より先端突出部４１における基端側へ移動しやすい。かかるスパークプラグ１において、中心電極４の芯材６の小径部６２を先端突出部４１に配置した構成とすることで、より効果的に、芯材６の露出を抑制することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態５）
本形態は、図１２に示すごとく、プラグカバー５の先端から副燃焼室５０側へ突出した突出筒状体５２を有するスパークプラグ１の形態である。
そして、この突出筒状体５２が接地電極７となる。

突出筒状体５２は、軸方向Ｚにおいて、先端部から基端側へ向かうほど縮径するような略円錐形状を有すると共に、Ｚ方向に貫通している。この突出筒状体５２の内側の貫通空間が、軸方向噴孔５１１となる。突出筒状体５２の基端と、中心電極４の先端との間に、放電ギャップＧが形成されている。放電ギャップＧは、中心電極４の先端部の全周にわたり、形成されている。
中心電極４の構造は、実施形態１と同様である。
その他は、実施形態１と同様である。
本形態においても、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態６）
本形態は、図１３に示すごとく、中心電極４の芯材６における小径部６２が、互いに直径の異なる第１の小径柱状部６２１ａと第２の小径柱状部６２１ｂとを有する形態である。

第２の小径柱状部６２１ｂは、第１の小径柱状部６２１ａよりも直径が小さい。第２の小径柱状部６２１ｂは、第１の小径柱状部６２１ａの先端側に連続して形成されている。第１の小径柱状部６２１ａは、大径部６１よりも直径が小さい。

第２の小径柱状部６２１ｂは、中心電極４の先端突出部４１の第２部位４１２に配置されている。すなわち、先端突出部４１における、第１部位４１１よりも直径が小さい部位である第２部位４１２の内側に、第１の小径柱状部６２１ａよりも直径の小さい第２の小径柱状部６２１ｂが配されている。
その他は、実施形態１と同様である。

本形態においては、芯材６の露出を抑制しつつ、極力、中心電極４の先端に近い位置まで芯材６を配置することができる。その結果、中心電極４の放熱性を向上させ、プレイグニッションをより防止しやすくすることができる。また、第１部位４１１よりも小径の第２部位４１２の内側に、より小径の第２の小径柱状部６２１ｂが配されているため、第２の小径柱状部６２１ｂの外周側における母材４２の厚みも確保することができる。それゆえ、母材４２の消耗による小径柱状部６２１の露出も抑制することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

本形態においては、小径部６２が２つの小径柱状部６２１ａ、６２１ｂを有する形態を示したが、小径部６２が互いに直径が異なる３つ以上の小径柱状部を備えた形態とすることもできる。この場合、より先端側の小径柱状部ほど直径が小さくなるように、これらの小径柱状部を配列させることとなる。

（実施形態７）
本形態は、図１４に示すごとく、中心電極４及び接地電極７における、放電ギャップＧに面する部位に、貴金属チップ４３、７３を接合した形態である。
貴金属チップ４３、７３は、例えば、イリジウム、白金等の貴金属又はその合金にて構成することができる。
その他は、実施形態１と同様である。

本形態においては、放電ギャップＧの拡大を抑制して、スパークプラグ１の長寿命化を図ることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

なお、本形態の変形形態として、中心電極４と接地電極７とのうちの一方のみに、貴金属チップを接合した形態とすることもできる。また、上述した他の実施形態において、適宜、同様に貴金属チップを、中心電極４と接地電極７との少なくとも一方に接合した構成とすることもできる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１…スパークプラグ、２…ハウジング、３…絶縁碍子、４…中心電極、４１…先端突出部、４２…母材、５…プラグカバー、５０…副燃焼室、５１…噴孔、６…芯材、６１…大径部、６２…小径部、６２１…小径柱状部、Ｚ…軸方向

Claims (2)

1. 筒状の絶縁碍子（３）と、
   該絶縁碍子の内周側に保持されると共に該絶縁碍子から先端側に突出する先端突出部（４１）を有する中心電極（４）と、
   上記絶縁碍子を内周側に保持する筒状のハウジング（２）と、
   上記先端突出部が配される副燃焼室（５０）を覆うよう上記ハウジングの先端部に設けられたプラグカバー（５）と、を有し、
   上記プラグカバーには、上記副燃焼室を外部に連通させる噴孔（５１）が設けられており、
   上記中心電極は、母材（４２）と、該母材内に配されるとともに該母材よりも熱伝導率が高い芯材（６）と、を有し、
   上記芯材は、大径部（６１）と、その先端側に連続して形成された小径部（６２）とを有し、
   上記小径部は、上記大径部よりも直径が小さく、かつ軸方向（Ｚ）の少なくとも一部において直径が一定となる小径柱状部（６２１）を有し、
   上記小径柱状部の少なくとも一部は、上記絶縁碍子の先端よりも先端側に配されており、
   放電ギャップ（Ｇ）と上記軸方向噴孔との間の軸方向の距離（ｄ１）は、上記放電ギャップと上記絶縁碍子の先端との間の軸方向の距離（ｄ２）よりも短い、内燃機関用のスパークプラグ（１）。
2. 少なくとも一つの上記噴孔は、軸方向に開口している軸方向噴孔（５１１）である、請求項１に記載の内燃機関用のスパークプラグ。

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