JPH03201383A - 内燃機関用スパークプラグ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、自動車等の内燃機関に用いられるスパーク
プラグに関するものである。

〔従来の技術〕

近年、自動車産業はエンジンの高性能化、特に、低燃費
、高出力化の課題へ向けて積極的な取り組みがなされて
いるミモして、エンジンに供給される混合気は薄くなる
とともに、圧縮比も高くなる傾向にある。そのため、ス
パークプラグの火花ギャップを放電する電圧（以下、要
求電圧という）は、同一火花ギャップにても高くなる。

当然、火花ギャップは走行とともに電極消耗により増加
し、要求電圧は上昇する。その上昇割合は、希薄空燃比
、高圧縮比のエンジンでは著しい値を示す。火花ギャッ
プに供給される電圧はコイル特性にて決定されるため要
求電圧がコイル発生電圧を越える場合、失火が起こる。

この対策として、発生電圧を上げる方法と、スパークプ
ラグの要求電圧を下げる方法とが考えられる。前者の場
合、ディストリビュータ、高圧コード、コイル、スパー
クプラグにおける各接続部での耐電圧に対する信頼性が
低下する欠点がある。

又、スパークプラグの要求電圧低減の一手段が実開昭５
０−６０４４５号公報に示されている。

これは、第２１図に示すように、接地電極ｌに対向する
中心電極２の先端をテーパー形状とし、中心電極２が消
耗するに従い、径小化する工夫がなされている。この径
小化による要求電圧低減が消耗による火花ギャップ増大
を補う作用を持つ。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、テーパーによる径小は放電面積を著しく縮小さ
せるため、使用するに従い中心電極の消耗は促進され火
花ギャップは従来品（円柱形状の中心電極をもつプラグ
）に比べ拡大していく。又、放電は中心電極２のエツジ
部に集中するためエツジ部は初期段階で消失してしまい
、続いて径小部が消耗を受けもつことになる。そのため
更に電極消耗は加速され、火花ギャップが広がる。その
ため、電極の消耗に従い径小化され要求電圧の増加を抑
制する上記公報の方法は実質、プラグ寿命点（車両用プ
ラグにおける要求電圧３０ＫＶに到達する走行距離）を
伸ばすことに結びつきにくい。

この発明の目的は、電極消耗量を抑制するとともに要求
電圧の低下を図ることができるスパークプラグを提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

第１の発明は、中心電極の軸線上で接地電極が対向し火
花ギャップを形成する内燃機関用スパークプラグにおい
て、 中心電極の先端部に軸線方向で等断面積を有し、かつ、
目標寿命に対応した一定の厚さの柱状部を形成するとと
もに、その柱状部の基端側に当該柱状部より径小なる径
小部を形成した内燃機関用スパークプラグをその要旨と
する。

第２の発明は、第１の発明において、前記柱状部と径小
部との半径方向での段差寸法を０．１ｍｍ以上とすると
ともに、柱状部の厚さを０．６ｍｍ以下とした内燃機関
用スパークプラグをその要旨とする。

第３の発明は、第２の発明において、前記柱状部と径小
部との半径方向での段差寸法をＷとし、前記柱状部と径
小部との段差部における当該段差部表面と軸線方向とで
なす角度をθとしたとき、Ｗ２Ｏ，２ｍｍのとき；６０
≦θ≦９０゜Ｗｈｏ、２ｍｍのとき；３０°≦θ≦９０
゜とした内燃機関用スパークプラグをその要旨とする。

〔作用〕

放電は中心電極のエツジに集中し、柱状部のエツジが消
耗されるが、中心電極における飛火の起点が柱状部の径
小部側の端面までとなり、放電経路長さの観点から最大
要求電圧が抑制されるとともに中心電極の消耗は抑制さ
れる。

〔実施例〕

以下、この発明を自動車用エンジンに使用されるスパー
クプラグに具体化した一実施例を図面に従って説明する
。

第２図は本実施例のスパークプラグの全体を示す。中心
電極■０は耐熱性、耐蝕性及び導電性のある卑金属、例
えばＮｉ−Ｃｕ等からなり、中心電極ＩＯの発火部とな
る先端部分は絶縁碍子１１に保持されている。絶縁碍子
１１の軸穴１１ａの上部には炭素鋼からなる中軸１２が
挿通しており、中軸１２の頭部には黄銅等からなる端子
１３がねじ込み固定されている。円筒状のハウジング１
４は耐熱性、耐蝕性及び導電性のある金属よりなり、ハ
ウジング１４の内側にはリング状の気密パツキン１５及
びかしめリング１６を介して絶縁碍子■ｌが固定されて
いる。尚、ハウジング１４はエンジンブロックに固定す
るためのねじ部１４ａを備えている。

又、ハウジング１４の下端面には接地電極１７が溶接に
より固定され、この接地電極１７も耐熱性、耐蝕性及び
導電性のある金属からなっている。

導電性グラスシール層１８は絶縁碍子１１の軸穴１１ａ
内に封入され、このシール層１８は銅粉末と低融点ガラ
スから構成されており、このシール層１８により中軸１
２と中心電極１０とか電気的に接続されるととともに、
両者が絶縁碍子１１の軸穴１１ａに固定されている。

第１図には本スパークプラグの中心電極ＩＯの先端部を
示す。中心電極ＩＯにはその放電側の先端部には柱状部
１９が形成され、この柱状部１９は軸線方向で等断面積
となるとともに、目標寿命に対応した一定厚さとなって
いる。又、柱状部１９の基部側には径小なる径小部２０
が形成され、くびれた形状となっている。この形状とす
ることによって、火花ギャップＧの増加を従来通り（円
柱状の中心電極をもつプラグ）とすることができるうえ
に、柱状部１９の厚さし、柱状部１９と径小部２０との
半径方向での段差寸法Ｗ、柱状部Ｉ９と径小部２０との
段差部におけるその段差部表面４と軸線方向とでなす角
度θを所定の値とすることにより、要求電圧を低減させ
ることができる。

本発明者は、スパークプラグの飛火状況を詳細に観察す
ることにより新たな現象を見出したので以下に説明する
。

まず、スパークプラグは、車両に搭載され走行に従って
火花ギャップＧは増加し、要求電圧がコイル発生電圧に
達する時点で寿命となる。第３図にはＮｉ基合金を電極
材に使用する卑金属プラグ並びに白金合金チップを用い
た白金プラグの要求電圧推移を示す。卑金属プラグは、
５万Ｋｍ、白金プラグはｌＯ万Ｋｍで寿命点に至る。又
、要求電圧値は、放電毎に変動しバラツキをもち、第３
図の範囲は、そのｍａｘ値（最大値）とｍｉｎ値（最小
値）の幅を示すものである。第４図に耐久形状（中心電
極のエツジがとれた状態で使用した場合）でのスパーク
プラグの要求電圧を示す。

ここで、卑金属プラグには第５図に示すように、中心電
極径φ２．５ｍｍを備えたプラグを使用し、又、白金プ
ラグには第５図に示すように、φｌ。

］、　ｍｍの白金合金チップを用いたプラグを使用した
。

さらに、要求電圧値は密封容器に６ｋｇ／ｃｎｒの空気
を充填し、放電させたときの値である。

そして、第４図に示すように、ｍｅａｍ（平均値）−ｍ
ｉｎ値（最小値）の差異に比べ、ｍａｘ（最大値）−ｍ
ｅａｎ値（平均値）の差異はかなり大きい。そこで、こ
の差異が何に起因するかを飛火状況との関係にて検討し
た。

第７図〜第１１図は密封容器内で６　ｋ　ｇ　／　ｃｒ
！の空気を充填した条件の中での飛火状況を示す。又、
第７図〜第１１図の火花ギャップは１．３５ｍｍに設定
した。

第７図は新しい円柱形状の中心電極を備えたプラグ、第
８図は第７図のプラグの中心電極のエツジがとれた状態
のプラグ、第９図には、第２１図に示した中心電極の先
端をテーパー形状にしたプラグにおいて、中心電極１０
のエツジがとれた状態を示す。第１０．１１図は本実施
例のプラグを示す。第７図〜第１１図において、放電は
中心電極１０の端面から軸線方向に飛火する経路ａと、
中心電極１０の先端エツジ部から斜め方向に飛火する経
路すに大別される。

又、中心電極ＩＯの形状は要求電圧に大きく関与し、そ
の中心電極１０の先端部は一般的に球面状に消耗してい
くことも知られている。これは、当初先端エツジ部での
飛火頻度が多くエツジ部は消失し曲率をもち、その後、
この曲率部と端面部とに飛火は分散され消耗が進行する
ことによると考えられている。そして、使用するに従い
大きな半径を持つエツジ部から飛火する場合、第８図に
おいて飛火経路Ｃに示すように、エツジの半径の基部側
を起点した飛火が発生する。この飛火経路Ｃは、飛火経
路す、ｃに対して長い放電経路を持つ。この放電経路は
電極消耗が進むほどエツジ部が大きな曲率となるため、
長くなる。従って、飛火経路Ｃでは電圧的に不利となる
。よって、第４図の要求電圧のバラツキと対比すると、
飛火経路Ｃにてｍａｘ値を左右していることが推定され
る。

一方、第１０図及び第１１図において、飛火経路ａ、ｂ
、ｃが第８図と同様に見られるが、曲率部を起点とする
飛火経路Ｃでの飛火に特徴が見られる。即ち、中心電極
■０の先端に柱状部■９及び径小部２０を設けることに
より、飛火経路Ｃの起点が柱状部１９の径小部２０側の
端部までと限定される。そのため、放電経路長さの観点
より要求電圧ｍａｘ値の抑制を図ることができるもので
ある。

又、飛火範囲が柱状部１９の厚さＬ内に限定されるため
、中心電極エツジの消耗半径は最大でも厚さＬの値とな
り第８図に示す従来品に比べ必然的に小さくなる。これ
は、電圧面で有利に働く。

さらに、極端に消耗が進んだ例として柱状部１９の厚さ
Ｌを０．３ｍｍから０．２ｍｍに変更して半径を極めて
大きくした形状にて観察した結果、飛火経路ａ、ｂ、ｃ
の放電経路長は必然的に近似する傾向にあることが確か
められた。

又、第１Ｏ図、第１１図における飛火経路Ｃでの放電は
そのエツジ効果により飛火経路ａ、　　ｂの電圧値に接
近して要求電圧のバラツキ、即ち、ｍａｘ値を抑制する
上で有利に働くことを実験的に確認している。第１２図
にその結果を示す。このときの仕様は、Ｎｉ基合金を電
極材とする卑金属プラグとしては第１３図に示すように
、中心電極径φ２．５ｍｍのものを使用し、白金合金チ
ップを用いた白金プラグとしては第１４図に示すφ■。

１　ｍｍの白金合板チップを使用し、それぞれ、Ｌ＝０
．３ｍｍ、先端エツジ部Ｒ＝０．３ｍｍ、Ｗ＝０゜２ｍ
ｍ、　　θ−９０、火花ギャップＧ＝１．３５ｍｍとし
た。第１２図と第４図との比較において、ｍｉｎ値は飛
火経路ａでの火花ギャップに依存するため変化はないが
突発的に発生するｍａｘ値は、第１３図で示したプラグ
においては４ＫＶ程度低尚、第９図に示すテーパー状の
中心電極のプラグにおいては、電極エツジ部に当初から
飛火が集中し、電圧的に有利なエツジ部は早期に消失さ
れる。その後、第８図と同様に中心電極ＩＯの先端は球
面に近ずく消耗形態をとるため、飛火経路Ｃの放電経路
は長くなり、ｍａｘ値を抑制する効果は期待できない。

第１５図、第１６図に柱状部１９及び径小部２０の形状
に関する実験結果を示す。第１５図は、第１７図に示す
ように、中心電極がＮｉ基合金よりなり、かつ、φ２，
５ｍｍとしたプラグを用いて中心電極の柱状部厚さＬを
０．３ｍｍとして、径小部２０との段差寸法Ｗと、段差
部の角度θをファクタとした。この第１５図に示す実験
結果より明らかなように、柱状部１９及び径小部２０を
設けることにより従来プラグに比べ要求電圧のバラツキ
ｍａｘ値を抑制することができる。そして、段差寸法Ｗ
は０．１ｍｍ以上、θは３０°以上でその効果が認めら
れる結果となった。又、段差寸法ＷがＷ２Ｏ，２ｍｍの
ときには、段差の角度θが６０≦θ≦９０°の場合に効
果が期待でき、又、Ｗ〉０．２ｗ＋ｍのときには、３０
°≦θ≦９０の場合に効果が期待できる。

第１６図は火花ギャップ増加量に対する要求電圧の推移
を示し、図中、実線でＮｉ基合金よりなり、かつ、円柱
状の中心電極をもつプラグを示し、破線でＬ＝０．３ｍ
ｍのプラグを、又、−点鎖線でＬ”０．６ｍｍのプラグ
を示す。その結果、柱状部１９の厚さＬ＝０．３＋ｎｍ
のプラグでは、火花ギャップ増加量が０．０５ｍｍより
大きいとき要求電圧のｍａｘ値を抑制でき、消耗が０．
３ｍｍ進展した時点で実線の値と一致する。又、Ｌ＝０
．６ｍｍのプラグでは、消耗が０．３ｍｍの時点より低
減効果が現われその以降、低減された値をとる。さらに
、Ｌが０．６ｍｍ以上となると効果が表れる以前にコイ
ル発生電圧に達し失火等不具合に至る可能性がある。

従って、Ｎｉ基合金を中心電極としたプラグの柱状部厚
さＬは０．３ｍｍ〜０．６ｍｍが望ましい。

但し、短時間の仕様に限定される場合ではＬ＝０゜３　
ｍｍ以下でも設定可能である。又、白金合金チップを用
いた白金プラグにおいては、１０万ｋｍで火花ギャップ
増加量は約０．２ｍｍであるという結果を得ており、柱
状部厚さＬは、０．２ｍｍ以上にすることが望ましい。

尚、第１６図は、密封容器の空気圧６ｋｇ／ｃａｒの条
件で図中に示す仕様にて評価を行った。

このように本実施例では、中心電極ＩＯの先端部に軸線
方向で等断面積を有し、かつ、目標寿命に対応した一定
の厚さの柱状部１９を形成するとともに、その柱状部１
９の基端側に柱状部１９より径小なる径小部２０を形成
した。その結果、放電は中心電極ＩＯのエツジ部に集中
し柱状部１９のエツジが消耗されるが、中心電極１ｏに
おける飛火の起点が柱状部１９の径小部２ｏ側の端面ま
でとなり、放電経路長さの観点から最大要求電圧が抑制
されるとともに、電極消耗量が抑制される。

又、第１５図に示すように、柱状部１９と径小部２０と
の段差寸法Ｗを０．１ｍｍ以上とするとともに、第１６
図に示すように、柱状部１９の厚さを０．６ｍｍ以下と
することにより、最適化を図ることができる。

さらに、第１５図に示すように、柱状部１９と径小部２
０との半径方向での段差寸法Ｗと、柱状部１９と径小部
２０との段差部における段差部表面と軸線方向とでなす
角度θとを、 ０．１ｍｍ≦Ｗ≦０．２ｍｍのとき； ６０≦θ≦９０゜ Ｗ＞０．２ｍｍのとき： ３０°　≦θ≦９０ とすることにより、最適化を図ることができる。

尚ミこの発明は上記実施例に限定されるものではなく、
例えば、第１８図に示すように、径小部２０を円弧状に
切り欠いたり、第１９図に示すように、径小部２０を直
線的に切り欠いたり、さらに、第２０図に示すように、
柱状部１９の径を径小部２０の下の基部２１の径より小
さくしてもよい。

〔発明の効果〕

以上詳述したようにこの発明によれば、電極消耗量を抑
制するとともに要求電圧の低下を図ることができる優れ
た効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の内燃機関用スパークプラグの放電部を
示す図、第２図はスパークプラグの全体図、第３図は走
行距離に対する要求電圧を示す図、第４図はプラグの要
求電圧の分布を示す図、第５図は実験に用いた中心電極
の先端部を示す図、第６図は実験に用いたプラグの中心
電極の先端部を示す図、第７図〜第１１図は飛火状況を
示す図、第１２図は要求電圧の分布を示す図、第１３図
及び第１４図は実験に用いたプラグの中心電極の先端部
を示す図、第１５図は段差寸法と要求電圧の電圧低減値
との関係を示す図、第１６図は火花ギャップ増加量と要
求電圧との関係を示す図、第１７図は実験に用いたプラ
グの中心電極の先端部を示す図、第１８図は別例の中心
電極の先端部を示す図、第１９図は他の別例の中心電極
の先端部を示す図、第２０図は別例の中心電極の先端部
を示す図、第２１図は従来技術を説明するための中心電
極の先端部を示す図である。 １０は中心電極、１７は接地電極、１９は柱状部、２０
は径小部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、中心電極の軸線上に接地電極が対向し火花ギャップ
   を形成する内燃機関用スパークプラグにおいて、 中心電極の先端部に、軸線方向で等断面積を有し、かつ
   、目標寿命に対応した一定の厚さの柱状部を形成すると
   ともに、その柱状部の基端側に当該柱状部より径小なる
   径小部を形成したことを特徴とする内燃機関用スパーク
   プラグ。 ２、前記柱状部と径小部との半径方向での段差寸法を０
   ．１ｍｍ以上とするとともに、柱状部の厚さを０．６ｍ
   ｍ以下としたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機
   関用スパークプラグ。 ３、前記柱状部と径小部との半径方向での段差寸法をＷ
   とし、前記柱状部と径小部との段差部における当該段差
   部表面と軸線方向とでなす角度をθとしたとき、 Ｗ≦０．２ｍｍのとき；６０≦θ≦９０° Ｗ＞０．２ｍｍのとき；３０°≦θ≦９０°としたこと
   を特徴とする請求項２に記載の内燃機関用スパークプラ
   グ。