WO2018003358A1 - スパークプラグ - Google Patents
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- H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
- H01T13/00—Sparking plugs
- H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
Definitions
- the present invention relates to a spark plug, and relates to a spark plug that can ensure stain resistance.
- a metal shell to which a ground electrode is connected holds an insulating center electrode via an insulator.
- a spark plug ignites an air-fuel mixture by causing a spark discharge between a ground electrode and a center electrode in a combustion chamber of an internal combustion engine, but carbon generated by incomplete combustion or the like accumulates on the surface of an insulator. When the insulation resistance decreases and the applied voltage falls below the required voltage (voltage at which spark discharge occurs), spark discharge does not occur. Accordingly, various techniques have been developed to prevent the insulator from being contaminated by carbon deposition. *
- Patent Document 1 discloses a technique in which a protrusion that protrudes in a direction intersecting the axis is provided on an insulator.
- the carbon deposited on the protrusion serves as a conductive path between the center electrode and the metal shell, and discharge occurs in the air gap. Thereby, the carbon deposited on the insulator is burned away.
- the present invention has been made to meet this demand, and an object of the present invention is to provide a spark plug that can ensure stain resistance with a simple configuration.
- the spark plug of the present invention includes a center electrode extending along the axis from the front end side to the rear end side, a center electrode disposed in an axial hole formed along the axis, and the front end side.
- a cylindrical insulator having a stepped portion that increases in diameter toward the rear end side from the outer peripheral surface, and a shelf portion that is axially opposed to the stepped portion is formed on the inner peripheral surface and the insulator radial direction
- a cylindrical metal shell disposed on the outside of the metal plate, and a ground electrode connected to the metal shell and facing the center electrode.
- the insulator includes a tip portion located on the tip side of the step portion of the insulator, and the tip portion has an arithmetic average roughness in the circumferential direction of the outer peripheral surface of 0.5 ⁇ m or less, and the end surface and outer periphery of the tip portion A recess having a depth of 3 to 20 ⁇ m extends from the front end side to the rear end side on at least a part of the surface.
- the insulator has an arithmetic average roughness in the circumferential direction of the outer peripheral surface of the tip portion located on the tip side of the step portion of the insulator is 0.5 ⁇ m or less.
- a recess having a depth of 3 to 20 ⁇ m extends from the front end side to the rear end side on at least a part of the end surface and the outer peripheral surface of the front end portion.
- the recess has a depth of 5 to 10 ⁇ m, carbon can be more easily deposited in the recess while ensuring the strength of the tip. Therefore, in addition to the effect of Claim 1, antifouling property can be improved.
- the concave portion has a circumferential width of 3 to 200 ⁇ m, carbon can be easily deposited in the concave portion. Therefore, in addition to the effect of Claim 1 or 2, antifouling property can be improved.
- the recess has a length in the axial direction of 0.1 to 20 mm, it is possible to easily form a conductive path for burning off the carbon. Therefore, in addition to the effects of any one of claims 1 to 3, the stain resistance can be improved.
- 2 to 8 recesses are provided at the distal end portion with a space therebetween in the circumferential direction.
- a plurality of conductive paths can be formed by carbon deposition. Compared with the case where there is a single conductive path, it is easy to generate a discharge that burns out carbon, so that the fouling resistance can be improved in addition to the effects of any one of claims 1 to 4. *
- the concave portions are arranged at equal intervals in the circumferential direction, the concave portions can be arranged in all directions when attached to the internal combustion engine. Therefore, in addition to the effect of the fifth aspect, it is possible to make it difficult for the stain resistance variation to vary depending on the orientation of the insulator attached to the internal combustion engine.
- the spark plug of claim 7 when the first imaginary straight line passing through the axis and the second imaginary straight line passing through the axis and orthogonal to the first imaginary straight line are drawn in a cross section orthogonal to the axis, Of these, the length of the first region overlapping the first virtual straight line is set longer than the length of the second region overlapping the second virtual straight line at the tip. Since the concave portion is provided in a range of ⁇ 15 ° around the first region in the tip portion, the thickness of the portion of the tip portion where the concave portion is formed can be ensured.
- the value obtained by dividing the length of the second region by the length of the first region is 0.7 to 0.96.
- the concave portion is provided on the opposite side of the ground electrode across the center electrode when viewed in the axial direction.
- the space opposite to the ground electrode across the center electrode has a larger space in which flame nuclei can grow than the ground electrode side, so that the flame generated when the carbon deposited in the recesses is burned out can be increased.
- the carbon adhering to the tip can be burned over a wide range, so that the fouling resistance can be improved in addition to the effect of any one of claims 1 to 8.
- the protruding portion of the insulator protrudes radially outward from a portion of the outer peripheral surface on the rear end side with respect to the stepped portion.
- the metal shell is provided with an engaged portion in a portion of the inner peripheral surface on the rear end side of the shelf.
- FIG. 1 is a side view of an insulator
- (b) is a perspective view of the front-end
- FIG. 3 is a cross-sectional view of a distal end portion taken along line III-III in FIG.
- FIG. 4 is a cross-sectional view of the spark plug taken along line IV-IV in FIG. 1.
- FIG. 5 is a cross-sectional view of the spark plug taken along line VV in FIG. 1. It is sectional drawing of a tool engaging part. It is sectional drawing of the front-end
- FIG. 1 is a cross-sectional view taken along a plane including the axis O of the spark plug 10 according to the first embodiment of the present invention.
- the lower side of the drawing is referred to as the front end side of the spark plug 10
- the upper side of the drawing is referred to as the rear end side of the spark plug 10.
- the spark plug 10 includes a metal shell 20, a ground electrode 30, an insulator 40, and a center electrode 60. *
- the metal shell 20 is a substantially cylindrical member that is fixed to a screw hole (not shown) of the internal combustion engine, and a through hole 21 that passes through the center along the axis O is formed.
- the metal shell 20 is made of a conductive metal material (for example, low carbon steel), and the caulking portion 22, the tool engaging portion 23, and the seat portion 24 along the axis O from the rear end side to the front end side.
- the body part 25 is arranged.
- the body portion 25 is formed with a screw portion 26 that fits into a screw hole of the internal combustion engine on the outer peripheral surface. *
- the caulking part 22 is a part for caulking the insulator 40, and the tool engaging part 23 engages a tool such as a wrench when the screw part 26 is fitted into a screw hole (not shown) of the internal combustion engine. It is a part to be made.
- the seat part 24 is a part that holds the gasket 28 fitted between the body part 25 and the seat part 24. The gasket 28 is sandwiched between the seat portion 24 and the internal combustion engine and seals the gap between the screw portion 26 and the screw hole.
- drum 25 the shelf part 27 projected to the inner side of radial direction is formed in the internal peripheral surface. The shelf 27 is reduced in diameter from the rear end side toward the front end side. *
- the ground electrode 30 is made of a metal (for example, nickel-base alloy) electrode base material 31 joined to the tip of the metal shell 20 (end surface of the body portion 25), and a chip 32 joined to the tip of the electrode base material 31. It has.
- the electrode base material 31 is a rod-like member that bends toward the axis O so as to intersect the axis O.
- the chip 32 is a member formed of a noble metal such as platinum, iridium, ruthenium, or rhodium, or an alloy containing these as a main component, and is joined to a position that intersects the axis O. *
- the insulator 40 is a substantially cylindrical member formed of alumina or the like that is excellent in mechanical properties and insulation at high temperatures.
- the insulator 40 has a shaft hole 41 penetrating in the direction of the axis O, and a protrusion 42 having the largest outer shape is formed at the center in the direction of the axis O.
- a rear body portion 43 is formed on the rear end side of the projecting portion 42, and a middle body portion 44 and a front end portion 45 are formed on the front end side of the projecting portion 42.
- the distal end portion 45 is a cylindrical portion having an outer diameter smaller than the outer diameter of the middle barrel portion 44, and a stepped portion 46 that is reduced in diameter toward the distal end side is formed between the middle barrel portion 44 and the distal end portion 45.
- a packing 47 is disposed between the step 46 and the shelf 27 of the metal shell 20.
- the packing 47 is an annular plate formed of a metal material such as a mild steel plate that is softer than the metal material constituting the metal shell 20.
- a receiving portion 48 that protrudes inward in the radial direction is formed on the inner peripheral surface of the middle body portion 44.
- the diameter of the receiving portion 48 is reduced from the rear end side toward the front end side.
- the insulator 40 is inserted into the through hole 21 of the metal shell 20, and the metal shell 20 is fixed to the outer periphery.
- the front end of the front end portion 45 and the rear end of the rear body portion 43 are respectively exposed from the through hole 21 of the metal shell 20.
- Ring members 49 and 50 are interposed between the caulking portion 22 and the tool engaging portion 23 of the metal shell 20 and the rear body portion 43 of the insulator 40.
- a filler 51 such as talc is filled between the ring members 49 and 50.
- the center electrode 60 is a rod-shaped electrode in which a core material 61 that is more excellent in thermal conductivity than an electrode base material is embedded in an electrode base material formed in a bottomed cylindrical shape.
- the core material 61 is made of copper or an alloy containing copper as a main component.
- the center electrode 60 includes a shaft portion 62 extending in the shaft hole 41 toward the front end side along the axis O, a small diameter portion 63 connected to the tip of the shaft portion 62, and a head provided on the rear end side of the shaft portion 62. 64.
- the head portion 64 is locked to a receiving portion 48 formed on the insulator 40 (the middle body portion 44). *
- the small diameter portion 63 is formed so that the outer diameter is smaller than the outer diameter of the shaft portion 62.
- the small diameter portion 63 is formed in a step shape at the boundary with the shaft portion 62, and the step shape boundary is disposed in the shaft hole 41.
- the small diameter portion 63 has a tip protruding from the shaft hole 41, and a tip 65 is joined to the tip.
- the chip 65 is a columnar member formed of a noble metal such as platinum, iridium, ruthenium, rhodium, or an alloy containing these as a main component. *
- the terminal fitting 70 is a rod-like member to which a high voltage cable (not shown) is connected, and is formed of a conductive metal material (for example, low carbon steel).
- the distal end side of the terminal fitting 70 is disposed in the shaft hole 41 of the insulator 40.
- the resistor 71 is a member for suppressing radio noise generated during sparking, and is disposed in the shaft hole 41 between the terminal fitting 70 and the center electrode 60.
- the resistor 71 is electrically connected to the center electrode 60 and the terminal fitting 70 via glass conductive seals 72 and 73 mixed with metal powder. *
- FIG. 2A is a side view of the insulator 40
- FIG. b is a perspective view of the tip 45 of the insulator 40.
- the insulator 40 has a rear body portion 43, a projecting portion 42, a middle body portion 44, a step portion 46, and a front end portion 45 connected along the axis O from the rear end side to the front end side.
- the protrusion 42 has an engaging portion 42a (described later) formed on the outer peripheral surface.
- the tip portion 45 has an outer peripheral surface 45b having an arithmetic average roughness Ra in the circumferential direction of 0.5 ⁇ m or less.
- the arithmetic average roughness Ra is measured according to JIS B0601 (1994 edition). Arithmetic average roughness Ra is measured by non-contact type shape measurement laser microscope VK-X110 / X100 (manufactured by Keyence), image analysis software WinROOF that analyzes images obtained with microscopes such as SEM and microscopes, etc. (Mitani Corporation) is used. *
- the distal end portion 45 has a recess 53 formed on the outer peripheral surface 45b (a surface that can be seen in a side view from a direction orthogonal to the axis O).
- the recess 53 extends from the front end side to the rear end side.
- the recess 53 is an elongated recess having a length L larger than the width W.
- the recess 53 is continuous from the outer peripheral surface 45b to the end surface 45a of the tip 45.
- one recess 53 is provided at the tip 45.
- the end portion 45 has an end surface 45a also formed with an arithmetic average roughness Ra of 0.5 ⁇ m or less. *
- the insulator 40 having the tip portion 45 having an arithmetic average roughness Ra in the circumferential direction of the outer peripheral surface 45b of 0.5 ⁇ m or less can be formed by injection molding.
- the insulator 40 is obtained by firing the molded body.
- the concave portion 53 corresponding to the protrusion can be formed on the tip portion 45.
- the concave portion 53 is not formed by processing or destroying the sintered body, but is formed by firing a portion formed in the molded body. Therefore, the structure of the surface of the recess 53 observed by SEM or the like has the same form as the structure of the outer peripheral surface 45 b other than the recess 53.
- FIG. 3 is a cross-sectional view of the distal end portion 45 taken along the line III-III in FIG.
- the tip 45 has an elliptical cross-section cut along a plane orthogonal to the axis O, and the shaft hole 41 is circular.
- the first virtual straight line 54 is a straight line passing through the axis O
- the second virtual straight line 55 is a straight line passing through the axis O and orthogonal to the first virtual straight line 54.
- the first virtual straight line 54 overlaps with the major axis of the ellipse of the outer shape of the tip end portion 45
- the second virtual straight line 55 overlaps with the minor axis of the ellipse of the outer shape of the tip end portion 45.
- the positions of the first virtual straight line 54 and the second virtual straight line 55 are not limited to this, and can be set as appropriate within a range satisfying L1> L2 (described later). *
- the length L1 of the first region 56 that overlaps the first virtual straight line 54 in the distal end portion 45 is set to be longer than the length L2 of the second region 57 that overlaps the second virtual straight line 55.
- the concave portion 53 is provided in a range of ⁇ 15 ° centering on the first region 56 in the outer peripheral surface 45 b of the tip end portion 45.
- the recess 53 is provided at the intersection of the first virtual straight line 54 and the outer peripheral surface 45b.
- the depth D from the outer peripheral surface 45b is set to 3 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
- the recess 53 is preferably set to have a width W of 3 ⁇ m to 200 ⁇ m.
- the length L (see FIG. 2A) in the direction of the axis O on the outer peripheral surface 45b (including the end surface 45a) is preferably set in the range of 0.1 mm to 20 mm.
- the width W, depth D, and length of the recess 53 are measured using a non-contact type shape measurement laser microscope VK-X110 / X100 (manufactured by Keyence Corporation). *
- the spark plug 10 When the spark plug 10 is attached to an internal combustion engine (not shown), at least a part of the front end portion 45 (the front end side of the end surface 45a and the outer peripheral surface 45b) is exposed to the combustion chamber. Since the tip portion 45 has an arithmetic average roughness Ra in the circumferential direction of the outer peripheral surface 45b (portion excluding the recess 53) of 0.5 ⁇ m or less, it is difficult for carbon generated by incomplete combustion or the like to adhere to the outer peripheral surface 45b and the end surface 45a. On the other hand, carbon can be easily deposited in the recess 53. It is possible to cause discharge using the carbon deposited in the recesses 53 as a conductive path, and to burn off the carbon deposited in the recesses 53 and the carbon deposited on the tip 45 around the carbon. *
- the center electrode 60 (see FIG. 1) is provided with a step-shaped small diameter portion 63 at the tip of the shaft portion 62.
- an air gap can be provided between the shaft hole 41 of the tip end portion 45 and the small diameter portion 63.
- a discharge can be generated between the stepped edge between the shaft portion 62 and the small diameter portion 63 and the carbon (conductive path) deposited in the concave portion 53.
- the carbon deposited in the recesses 53 can be burned out by discharge, and the carbon existing in the vicinity can be burned out by the flame generated by the discharge.
- the concave portion 53 is continuous from the outer peripheral surface 45b to the end surface 45a of the tip portion 45, a conductive path of carbon deposited in the concave portion 53 can be formed from the outer peripheral surface 45b of the tip portion 45 to the end surface 45a. Since the conductive path can be easily present on the end surface 45a of the tip portion 45, discharge using the small diameter portion 63 of the center electrode 60 (see FIG. 1) can be easily generated. In addition, the recessed part 53 of the end surface 45a is not necessarily required. *
- the depth D of the recess 53 When the depth D of the recess 53 is less than 3 ⁇ m, the carbon that has entered the recess 53 tends to be difficult to stay. When the depth D of the concave portion 53 exceeds 20 ⁇ m, the concave portion 53 may become a starting point of penetration breakage of the tip portion 45 due to the applied voltage. By setting the depth D of the recess 53 to 3 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, carbon can be easily deposited in the recess 53 while ensuring the strength of the tip 45. *
- the width W of the concave portion 53 When the width W of the concave portion 53 is less than 3 ⁇ m, there is a tendency that carbon does not easily enter the concave portion 53. When the width W of the concave portion 53 exceeds 200 ⁇ m, the carbon that has entered the concave portion 53 tends to be difficult to stay. By setting the width W of the recess 53 to 3 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less, the carbon can easily enter and stay in the recess 53. *
- the length L of the concave portion 53 When the length L of the concave portion 53 is less than 0.1 mm, the conductive path due to the carbon deposited in the concave portion 53 is shortened, so that a discharge using the deposited carbon as the conductive path is less likely to occur. Even if the recess 53 is longer than 20 mm, the amount of carbon entering the rear end of the recess 53 is smaller than the amount of carbon entering the front end of the recess 53. The amount is almost unchanged. By setting the length L of the recess 53 to 0.1 mm or more and 20 mm or less, it is possible to easily form a conductive path that contributes to discharge. *
- the recessed part 53 when the recessed part 53 is formed only in the end surface 45a, when formed only in the outer peripheral surface 45b, it may be formed from the end surface 45a to the outer peripheral surface 45b. Regardless of the portion of the tip 45 where the recess 53 is formed, the length L of the recess 53 refers to the entire length of the recess 53 (a portion having a depth of 3 to 20 ⁇ m). *
- the recess 53 is provided in a range of ⁇ 15 ° around the first region 56 in the outer peripheral surface 45b of the tip 45, the thickness of the portion of the tip 45 where the recess 53 is formed can be secured. Since the influence which the recessed part 53 has on the intensity
- a value L2 / L1 obtained by dividing the length L2 of the second region 57 by the length L1 of the first region 56 is preferably 0.7 to 0.96.
- L2 / L1 ⁇ 0.7 the length L2 of the second region 57 (thickness of the second region 57) becomes thin, and thus the withstand voltage of the second region 57 tends to decrease.
- L2 / L1> 0.96 although depending on the thickness of the tip 45, there is a possibility that penetration breakage of the tip 45 starting from the recess 53 due to the applied voltage may occur.
- the withstand voltage of the tip portion 45 can be ensured, and the penetration breakage of the tip portion 45 starting from the concave portion 53 due to the applied voltage can be suppressed.
- FIG. 4 is a cross-sectional view of the spark plug 10 taken along line IV-IV in FIG.
- the core material 61 embedded in the center electrode 60 is not shown.
- the insulator 40 is arranged such that a concave portion 53 exists on the opposite side of the ground electrode 30 (electrode base material 31) across the center electrode 60 when viewed in the axial direction.
- FIG. 5 is a cross-sectional view of the spark plug 10 taken along line VV in FIG. *
- the engaging part 42a is formed in the outer peripheral surface of the protrusion part 42. As shown in FIG.
- the engaging part 42a is a part that engages with an engaged part 58 (described later) formed in the metal shell 20 in the circumferential direction.
- the projecting portion 42 is formed in a polygonal column shape having a substantially regular hexagonal shape (polygonal shape) when viewed in the axial direction, so that the edges of the polygonal column and the surfaces adjacent to the ridges constitute the engaging portion 42a. . *
- the protrusion 42 is formed with a mark 42b for positioning in the circumferential direction on the outer peripheral surface.
- the mark 42b is a square surface by chamfering with one of the ridges dropped.
- the mark 42b is provided on the opposite side of the recess 53 with the shaft hole 41 in between when viewed in the axial direction. Since the insulator 40 is molded by injection molding, the engaging portion 42a and the mark 42b can be easily molded by designing a molding die (not shown). *
- the metal shell 20 has an engaged portion 58 formed on the inner periphery.
- the engaged portion 58 is formed on the inner periphery of the tool engaging portion 23.
- the engaged portion 58 is formed in a substantially regular hexagonal (polygonal) cylindrical shape that is slightly larger than the protruding portion 42 so that the protruding portion 42 of the insulator 40 is inserted.
- a polygonal ridge and a surface adjacent to the ridge constitute the engaged portion 58.
- the tool engaging portion 23 has a regular hexagonal outer shape similar to the engaged portion 58. *
- a mark 59 for positioning the insulator 40 in the circumferential direction is formed at one position of the ridge.
- the mark 59 is a part corresponding to the mark 42b formed on the protruding portion 42 of the insulator 40, and a part of the through hole 21 (see FIG. 1) protrudes inward in the radial direction.
- the mark 59 is provided at a position where the position where the electrode base material 31 of the ground electrode 30 is joined to the metal shell 20 is extended in the direction of the axis O. Since the metal shell 20 is formed by cold forging or the like, the polygonal engaged portion 58 is formed relatively easily. *
- the center electrode 60 is sandwiched in the axial view.
- a recess 53 can be disposed on the opposite side of the ground electrode 30 (electrode base material 31).
- the engaged portion 58 is formed so that the protruding portion 42 cannot be inserted into the metal shell 20 unless the marks 42b and 59 are aligned with each other, an error in the assembly position of the insulator 40 with respect to the metal shell 20 does not occur.
- the engaging portion 42 a is formed in the protruding portion 42, when the engaging portion 42 a is engaged with the engaged portion 58 of the metal shell 20 in the circumferential direction, the position of the recess 53 of the insulator 40 with respect to the metal shell 20 is positioned. Determined. Therefore, the positioning of the recess 53 with respect to the metal shell 20 can be facilitated.
- FIG. 6 is a sectional view of the tool engaging portion 23.
- the cross section of the tool engaging portion 23 cut in the direction orthogonal to the axis O is illustrated by a solid line
- the cross section of the conventional tool engaging portion 80 is illustrated by a two-dot chain line.
- the cross section of the through hole 21 is circular.
- a regular distance (thickness T) is secured outside the circular through hole 21, and the regular hexagonal outer shape of the tool engaging portion 80 is set.
- a regular hexagon inscribed in the through hole 21 is used as the engaged portion 58 (excluding the mark 59).
- the outer shape of the tool engaging portion 23 can be made smaller than the outer shape of the conventional tool engaging portion 80. Since the diameter of the spark plug 10 can be reduced as much as the outer shape of the tool engaging portion 23 is reduced, it is possible to contribute to space saving around the internal combustion engine (not shown). Moreover, since the thickness of the corner
- FIG. 7 is a cross-sectional view of the distal end portion 92 of the spark plug insulator 90 according to the second embodiment.
- the distal end portion 92 has a circular cross section cut by a plane orthogonal to the axis O, and the shaft hole 91 is elliptical.
- the insulator 90 is held by the metal shell 20 instead of the insulator 40 of the spark plug 10 described in the first embodiment.
- the first virtual straight line 54 overlaps the short axis of the shaft hole 91
- the second virtual straight line 55 overlaps the long axis of the shaft hole 91.
- the positions of the first virtual straight line 54 and the second virtual straight line 55 are not limited to this, and can be set as appropriate within a range satisfying L1> L2. *
- the length L1 of the first region 94 that overlaps the first virtual straight line 54 in the distal end portion 92 is set longer than the length L2 of the second region 95 that overlaps the second virtual straight line 55.
- the distal end portion 92 has an arithmetic average roughness Ra in the circumferential direction of the outer peripheral surface 93 of 0.5 ⁇ m or less.
- the recessed portion 96 is provided in a range of ⁇ 15 ° around the first region 94 in the outer peripheral surface 93 of the distal end portion 92.
- two concave portions 96 are provided on the outer peripheral surface 93 of the tip end portion 92 at a distance from each other in the circumferential direction.
- the recesses 96 are arranged at equal intervals in the circumferential direction. *
- the two recesses 96 are provided at intervals in the circumferential direction, a plurality of conductive paths generated by carbon deposition in the recess 96 can be achieved. Compared with the case where there is a single conductive path, it is possible to easily generate a discharge that burns carbon, so that the fouling resistance can be improved. Moreover, since the recessed part 96 is arrange
- Samples 1 to 30 of the spark plug 10 assembled with various insulators 40 were prepared and evaluated for fouling and withstand voltage. As shown in Table 1, samples 1 to 30 have an arithmetic average roughness (Ra) of the outer peripheral surface 45b of the tip 45 of the insulator 40, a depth D of the recess 53, a width W of the recess 53, and the number of the recesses 53. A value (length ratio) obtained by dividing the length L2 of the second region 57 by the length L1 of the first region 56, and the position (angle) of the recess 53 with respect to the first region 56 are made different. The length L of the concave portion 53 was 15 mm in all the samples 1 to 30. Moreover, the sample in which the recessed part 53 was formed in multiple numbers arrange
- the fouling property was evaluated based on the “smoldering fouling test” defined in JIS D1606 (1987).
- a test car having a 4-cylinder engine with a displacement of 1500 cc was placed on a chassis dynamometer in a low temperature test chamber ( ⁇ 10 ° C.), and a spark plug was attached to each cylinder of the engine of the car.
- Four spark plugs 10 were prepared for one sample, and the fouling property was evaluated.
- the insulator 40 before being assembled to the spark plug 10 was tested. With the insulator 40 standing in the vertical direction with the front end 45 facing down, the protrusion 42 is supported by an insulating member (not shown), and a rod-shaped first electrode (not shown) is inserted into the shaft hole 41. did. A ring-shaped second electrode (not shown) is disposed so as to surround the tip 45, and an insulator 40, a first electrode, and a second electrode are placed in an oil tank (not shown) in which insulating oil is stored. Sunk. As the insulating oil, Fluorinert (registered trademark) FC-43 manufactured by 3M (registered trademark) was used. *
- Samples with a breakdown voltage of 50 kV / mm or more are “A”
- samples with a breakdown voltage of 45 kV / mm or more and less than 50 kV / mm are “B”
- samples with a breakdown voltage of 40 kV / mm or more and less than 45 kV / mm are “S having a dielectric breakdown voltage of less than 40 kV / mm were evaluated as “D”.
- Samples 15 and 16 having 4 or 8 recesses had an evaluation of fouling property of A.
- the samples 3 to 12 and 17 to 22 having one concave portion had a stain evaluation of B.
- the sample 23 having 10 recesses was evaluated as C for stain resistance. Thereby, it was confirmed that fouling resistance can be improved by providing a plurality of recesses (up to 8).
- Samples 17 to 22 were samples in which the length L1 of the first region and the length L2 of the second region were different.
- the evaluation of the fouling property was B.
- samples 17 to 19 were evaluated A
- sample 20 was evaluated B
- samples 21 and 22 were evaluated C.
- L2 / L1 ⁇ 0.70 is preferable in order to improve the withstand voltage characteristics when the length L1 of the first region is different from the length L2 of the second region.
- the small diameter portion 63 is provided at the tip of the center electrode 60, and the air gap between the small diameter portion 63 and the shaft holes 41 and 91 of the insulators 40 and 90 is used to form a stepped shape of the small diameter portion 63.
- a case has been described in which a discharge is generated between the edge of the metal and the carbon (conductive path) deposited in the recesses 53 and 96 to burn out the carbon.
- it is not necessarily limited to this.
- the small diameter part 63 and a subelectrode are not necessarily required. Even without providing the small-diameter portion 63 and the sub-electrode, a well-known means for burning out carbon by causing discharge in the air gap between the carbon (conductive path) deposited in the recesses 53 and 96 and the center electrode 60 or the metal shell 20 is appropriately used. Can be adopted. *
- the tip portions 45 and 92 by increasing the lengths of the tip portions 45 and 92, it is possible to accumulate heat generated by the combustion of the air-fuel mixture in the tip portions 45 and 92 and burn out the carbon deposited in the recesses 53 and 96. is there. By burning off the carbon deposited in the recesses 53 and 96, it is possible to prevent carbon from being deposited on the tip portions 45 and 92, and to suppress a decrease in the insulation resistance of the tip portions 45 and 92. *
- the spark plug 10 in which the ground electrode 30 joined to the tip of the metal shell 20 protrudes in the direction of the axis O has been described, but the present invention is not necessarily limited thereto.
- the insulators 40 and 90 of the above embodiments are applied to a spark plug (so-called creeping discharge plug) in which a ground electrode is disposed so as to surround the center electrode 60 and a spark plug (so-called multipolar plug) in which a plurality of ground electrodes are disposed.
- a spark plug sino-called creeping discharge plug
- multipolar plug a spark plug
- the tip 45 is described as having an elliptical cross section and the shaft hole 41 is formed in a circular cross section.
- the tip 92 has a circular cross section and the shaft hole 91 has a circular cross section.
- the case where the cross section is formed in an elliptical shape has been described. However, it is not necessarily limited to this. Of course, it is possible to make the elliptical shape of the tip portion or the shaft hole into an oval shape or a rounded shape. Also in this case, the first region and the second region having different thicknesses can be formed at the tip portion. *
- the insulators 40, 90 Although the case where the first regions 56 and 94 and the second regions 57 and 95 having different thicknesses are formed at the distal end portions 45 and 92 has been described, the present invention is not necessarily limited thereto. It is of course possible to form an axial hole with a circular cross section at the tip having a circular cross section (thickness is substantially the same in the circumferential direction). Regardless of the cross-sectional shape of the tip, the carbon deposited on the tip can be burned out by using one or more recesses formed on the outer peripheral surface of the tip.
- the insulators 40 and 90 in which one or two concave portions 53 and 96 are formed in the tip portions 45 and 92 have been described, but the present invention is not necessarily limited thereto.
- the number of recesses can be set as appropriate.
- the number of recesses is preferably 2-8. If the number of recesses is greater than 9, there are a large number of conductive paths due to carbon deposited in the recesses, so that minute discharges occur relatively frequently in the air gap between the conductive paths and the electrodes, making it difficult to burn out the carbon. This is because there is a tendency. *
- the tool engaging part 23 was a hexagon
- the present invention is not necessarily limited thereto. If the shape of the cross section orthogonal to the axis O of the engaged portion 58 is similar to the shape of the cross section orthogonal to the axis O of the tool engaging portion 23, the thickness of the tool engaging portion 23 can be reduced. Therefore, the shape of the engaged portion 58 can be appropriately set according to the shape of the tool engaging portion 23.
- the hexagonal engaging portion 42a is formed on the protruding portion 42 of the insulators 40 and 90 .
- the present invention is not necessarily limited thereto. Since the engaging portion 42a is a portion that engages with the engaged portion 58 of the metal shell 20 in the circumferential direction in order to position the insulator 40 in the circumferential direction with respect to the metal shell 20, the engagement portion 42a has a shape of the engaged portion 58. Accordingly, it is possible to appropriately set the shape such that the inside of the engaged portion 58 cannot be rotated about the axis O. *
- the present invention is not limited to this.
- the shape and position of the mark 42b can be set arbitrarily.
- the position and shape of the mark 59 provided on the metal shell 20 corresponding to the mark 42b can be arbitrarily set as a matter of course.
- the spark plug 10 in which the resistor 71 is built in the insulators 40 and 90 has been described, but the present invention is not necessarily limited thereto. It is naturally possible to apply each of the above embodiments to the manufacture of a spark plug that does not incorporate the resistor 71. In this case, the resistor 71 and the conductive seal 73 may be omitted, and the center electrode 60 and the terminal fitting 70 may be joined by the conductive seal 72.
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Abstract
簡単な構成で耐汚損性を確保できるスパークプラグを提供すること。外周面に段部が形成された絶縁体は、軸孔に中心電極が配置される。段部と棚部が内周面に形成された筒状の主体金具は、絶縁体の径方向の外側に配置される。絶縁体は、絶縁体のうち段部よりも先端側に先端部が位置する。先端部は、外周面の周方向の算術平均粗さが0.5μm以下である。先端部の端面および外周面の少なくとも一部には、深さが3~20μmの凹部が先端側から後端側へと延設されている。
Description
本発明はスパークプラグに関し、耐汚損性を確保できるスパークプラグに関するものである。
スパークプラグは、一般に、接地電極が接続された主体金具が絶縁体を介して中心電極を絶縁保持する。スパークプラグは、内燃機関の燃焼室において、接地電極と中心電極との間に火花放電を生じさせて混合気に点火するが、不完全燃焼等によって生じたカーボンが絶縁体の表面に堆積して絶縁抵抗が低下し、印加電圧が要求電圧(火花放電が生じる電圧)を下回ると火花放電が生じなくなる。そこで、カーボンの堆積による絶縁体の汚損を防ぐ種々の技術が開発されている。
例えば特許文献1には、軸線と交わる方向に突出する突起部を絶縁体に設ける技術が開示されている。特許文献1に開示される技術では、突起部に堆積したカーボンが中心電極と主体金具との間の導電経路となってエアギャップに放電が生じる。これにより、絶縁体に堆積したカーボンが焼失する。
上述の技術に対して、より簡単な構成で耐汚損性を確保したいという要求がある。
本発明はこの要求に応えるためになされたものであり、簡単な構成で耐汚損性を確保できるスパークプラグを提供することを目的としている。
この目的を達成するために本発明のスパークプラグは、先端側から後端側へと軸線に沿って延びる中心電極と、軸線に沿って形成された軸孔に中心電極が配置されると共に先端側から後端側へ向かうにつれて拡径する段部が外周面に形成された円筒状の絶縁体と、段部と軸方向に対向する棚部が内周面に形成されると共に絶縁体の径方向の外側に配置される筒状の主体金具と、主体金具に接続され、中心電極と対向する接地電極と、を備えている。絶縁体は、絶縁体のうち段部よりも先端側に位置する先端部を備え、先端部は、外周面の周方向の算術平均粗さが0.5μm以下であり、先端部の端面および外周面の少なくとも一部には、深さが3~20μmの凹部が先端側から後端側へと延設されている。
請求項1記載のスパークプラグによれば、絶縁体は、絶縁体のうち段部よりも先端側に位置する先端部の外周面の周方向の算術平均粗さが0.5μm以下である。先端部の端面および外周面の少なくとも一部には、深さが3~20μmの凹部が先端側から後端側へと延設されている。その結果、先端部の端面や外周面にカーボンを付着させ難くできる一方で、凹部にカーボンを堆積させ易くできる。凹部に堆積したカーボンを導電経路にして、放電によりカーボンを焼失させることができる。従って、簡単な構成で耐汚損性を確保できる。
請求項2記載のスパークプラグによれば、凹部は深さが5~10μmなので、先端部の強度を確保しつつ凹部にカーボンをより堆積し易くできる。よって、請求項1の効果に加え、耐汚損性を向上できる。
請求項3記載のスパークプラグによれば、凹部は周方向の幅が3~200μmなので、凹部にカーボンを堆積させ易くできる。よって、請求項1又は2の効果に加え、耐汚損性を向上できる。
請求項4記載のスパークプラグによれば、凹部は軸線方向の長さが0.1~20mmなので、カーボンを焼失させる導電経路を形成し易くできる。よって、請求項1から3のいずれかの効果に加え、耐汚損性を向上できる。
請求項5記載のスパークプラグによれば、凹部は周方向に互いに間隔をあけて先端部に2~8個が設けられる。凹部を2~8個にすることによりカーボンの堆積による導電経路を複数にできる。導電経路が単数の場合に比べて、カーボンを焼失させる放電を生じ易くできるので、請求項1から4のいずれかの効果に加え、耐汚損性を向上できる。
請求項6記載のスパークプラグによれば、凹部は周方向に等間隔に配置されているので、内燃機関に取り付けられたときに凹部を全方位に配置できる。よって、請求項5の効果に加え、内燃機関に取り付けられた絶縁体の方位に依存した耐汚損性のばらつきを生じ難くできる。
請求項7記載のスパークプラグによれば、軸線に直交する断面において、軸線を通る第1仮想直線と軸線を通り第1仮想直線に直交する第2仮想直線とを引いたときに、先端部のうち第1仮想直線と重なる第1領域の長さは、先端部のうち第2仮想直線と重なる第2領域の長さより長く設定される。凹部は先端部のうち第1領域を中心に±15°の範囲に設けられているので、先端部のうち凹部が形成される部分の厚さを確保できる。先端部の強度や絶縁性に凹部が与える影響を抑制できるので、請求項1から6のいずれかの効果に加え、先端部の強度や絶縁性を確保できる。
請求項8記載のスパークプラグによれば、第2領域の長さを第1領域の長さで除した値は0.7~0.96である。その結果、請求項7の効果に加え、耐電圧を確保できると共に、印加電圧による凹部を起点とした先端部の貫通破壊を抑制できる。
請求項9記載のスパークプラグによれば、凹部は、軸方向視において、中心電極を挟んで接地電極の反対側に設けられている。中心電極を挟んで接地電極の反対側は、接地電極側に比べて火炎核が成長できる空間が広いので、凹部に堆積したカーボンが焼失するときに生じる火炎を大きくできる。その結果、先端部に付着したカーボンを広範囲に亘って焼失させることができるので、請求項1から8のいずれかの効果に加え、耐汚損性を向上できる。
請求項10記載のスパークプラグによれば、絶縁体は、外周面のうち段部よりも後端側の部位から径方向の外側へ突出部が突出する。主体金具は、内周面のうち棚部よりも後端側の部位に被係合部が設けられる。主体金具の被係合部と突出部の係合部とが周方向に係合すると、主体金具に対する絶縁体の凹部の位置が定められる。よって、請求項1から9のいずれかの効果に加え、主体金具に対する凹部の位置決めを容易にできる。
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は本発明の第1実施の形態におけるスパークプラグ10の軸線Oを含む面で切断した断面図である。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1に示すようにスパークプラグ10は、主体金具20、接地電極30、絶縁体40及び中心電極60を備えている。
主体金具20は、内燃機関のねじ穴(図示せず)に固定される略円筒状の部材であり、軸線Oに沿って中心を貫通する貫通孔21が形成されている。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)によって形成されており、後端側から先端側へと軸線Oに沿って加締め部22、工具係合部23、座部24、胴部25が配置されている。胴部25は、内燃機関のねじ穴に嵌まるねじ部26が外周面に形成されている。
加締め部22は、絶縁体40を加締めるための部位であり、工具係合部23は、ねじ部26を内燃機関のねじ穴(図示せず)に嵌めるときにレンチ等の工具を係合させる部位である。座部24は、胴部25との間に嵌めたガスケット28を押さえる部位である。ガスケット28は、座部24と内燃機関との間に挟まれてねじ部26とねじ穴との隙間を封止する。胴部25は、径方向の内側へ張り出す棚部27が内周面に形成されている。棚部27は後端側から先端側へ向かうにつれて縮径する。
接地電極30は、主体金具20の先端(胴部25の端面)に接合される金属製(例えばニッケル基合金製)の電極母材31と、電極母材31の先端に接合されるチップ32とを備えている。電極母材31は、軸線Oと交わるように軸線Oへ向かって屈曲する棒状の部材である。チップ32は、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム等の貴金属またはこれらを主成分とする合金によって形成される部材であり、軸線Oと交わる位置に接合されている。
絶縁体40は、機械的特性や高温下の絶縁性に優れるアルミナ等により形成された略円筒状の部材である。絶縁体40は軸線O方向に貫通する軸孔41が形成され、軸線O方向の中央に外形の最も大きい突出部42が形成されている。絶縁体40は、突出部42より後端側に後胴部43が形成され、突出部42より先端側に中胴部44及び先端部45が形成されている。
先端部45は、中胴部44の外径よりも外径の小さい筒状の部位であり、中胴部44と先端部45との間に先端側へ向かって縮径する段部46が形成されている。段部46と主体金具20の棚部27との間に、パッキン47が配置される。パッキン47は、主体金具20を構成する金属材料よりも軟質の軟鋼板等の金属材料で形成される円環状の板材である。
絶縁体40は、中胴部44の内周面に、径方向の内側へ張り出す受け部48が形成されている。受け部48は後端側から先端側へ向かうにつれて縮径する。絶縁体40は、主体金具20の貫通孔21に挿入され、外周に主体金具20が固定される。絶縁体40は、先端部45の先端および後胴部43の後端が、主体金具20の貫通孔21からそれぞれ露出する。
主体金具20の加締め部22及び工具係合部23と絶縁体40の後胴部43との間にリング部材49,50が介在する。リング部材49,50の間にタルク等の充填材51が充填される。加締め部22が加締められると、リング部材49,50及び充填材51を介して絶縁体40が軸線O方向に押圧される。その結果、主体金具20の棚部27と絶縁体40の段部46との間に配置されたパッキン47が変形して、棚部27及び段部46に密着する。
中心電極60は、有底筒状に形成された電極母材の内部に、電極母材よりも熱伝導性に優れる芯材61を埋設した棒状の電極である。芯材61は銅または銅を主成分とする合金で形成されている。中心電極60は、軸線Oに沿って軸孔41内を先端側へ延びる軸部62と、軸部62の先端に連接される小径部63と、軸部62の後端側に設けられる頭部64とを備えている。頭部64は、絶縁体40(中胴部44)に形成された受け部48に係止される。
小径部63は、外径が軸部62の外径よりも小さく形成される。小径部63は軸部62との境界が段差状に形成されており、段差状の境界が軸孔41内に配置されている。小径部63は、先端が軸孔41から突出し、先端にチップ65が接合されている。チップ65は、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム等の貴金属またはこれらを主成分とする合金によって形成される柱状の部材である。
端子金具70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70の先端側は絶縁体40の軸孔41内に配置される。抵抗体71は、スパーク時に発生する電波ノイズを抑えるための部材であり、端子金具70と中心電極60との間の軸孔41内に配置される。抵抗体71は、金属粉が混合されたガラス製の導電性シール72,73を介して中心電極60及び端子金具70にそれぞれ電気的に接続される。
図2を参照して絶縁体40について説明する。図2(a)は絶縁体40の側面図であり、図2(
b)は絶縁体40の先端部45の斜視図である。図2(a)に示すように絶縁体40は、後端側から先端側へと軸線Oに沿って後胴部43、突出部42、中胴部44、段部46及び先端部45が連接されている。突出部42は外周面に係合部42a(後述する)が形成されている。
b)は絶縁体40の先端部45の斜視図である。図2(a)に示すように絶縁体40は、後端側から先端側へと軸線Oに沿って後胴部43、突出部42、中胴部44、段部46及び先端部45が連接されている。突出部42は外周面に係合部42a(後述する)が形成されている。
先端部45は、周方向の算術平均粗さRaが0.5μm以下の外周面45bを有している。算術平均粗さRaは、JIS B0601(1994年版)に準拠して測定される。算術平均粗さRaの測定は、非接触式の形状測定レーザマイクロスコープVK-X110/X100(キーエンス社製)や、SEM等の顕微鏡やマイクロスコープ等で得られた画像を解析する画像解析ソフトWinROOF(三谷商事製)を用いて行われる。
先端部45は、外周面45b(軸線Oと直交する方向からの側面視において視認できる面)に凹部53が形成されている。凹部53は先端側から後端側へと延設されている。凹部53は、幅Wよりも長さLが大きい細長い窪みである。本実施の形態では、図2(b)に示すように、凹部53は先端部45の外周面45bから端面45aにかけて連続している。本実施の形態では、凹部53は先端部45に1個設けられている。なお、先端部45は、端面45aも算術平均粗さRa0.5μm以下に形成されている。
外周面45bの周方向の算術平均粗さRaが0.5μm以下の先端部45をもつ絶縁体40は、射出成形によって成形できる。その成形体を焼成することにより、絶縁体40が得られる。射出成形の成形型(図示せず)に突起を設けておくことで、突起に対応する凹部53を先端部45に成形できる。突起の位置や大きさ等を適宜設定することによって、凹部53の位置や大きさ等を任意に設定できる。
凹部53は、焼結体を加工したり破壊したりして形成されたものではなく、成形体に成形された部分が焼成されたものである。従って、SEM等によって観察される凹部53の表面の組織は、凹部53以外の外周面45bの組織と同じ形態である。
図3は図2(a)の矢印III-III線における先端部45の断面図である。図3に示すように先端部45は、軸線Oと直交する面で切断した断面の外形が楕円形であり、軸孔41が円形である。第1仮想直線54は軸線Oを通る直線であり、第2仮想直線55は、軸線Oを通り第1仮想直線54に直交する直線である。本実施の形態では、第1仮想直線54は先端部45の外形の楕円の長軸と重なり、第2仮想直線55は先端部45の外形の楕円の短軸に重なる。なお、第1仮想直線54及び第2仮想直線55の位置は、これに限られるものではなく、L1>L2(後述する)を満たす範囲で適宜設定できる。
先端部45のうち第1仮想直線54と重なる第1領域56の長さL1は、第2仮想直線55と重なる第2領域57の長さL2より長く設定される。凹部53は、先端部45の外周面45bのうち第1領域56を中心に±15°の範囲に設けられている。本実施の形態では、凹部53は第1仮想直線54と外周面45bとの交点に設けられている。
凹部53は、外周面45bからの深さDが3μm以上20μm以下に設定される。凹部53は、幅Wが3μm~200μmに設定されると好ましい。凹部53は、外周面45b(端面45aを含む)における軸線O方向の長さL(図2(a)参照)が0.1mm~20mmの範囲に設定されると好ましい。凹部53の幅W、深さD及び長さの測定は、非接触式の形状測定レーザマイクロスコープVK-X110/X100(キーエンス社製)を用いて行われる。
先端部45は、スパークプラグ10が内燃機関(図示せず)に取り付けられたときに、少なくとも一部(端面45a及び外周面45bの先端側)が燃焼室に露出する。先端部45は、外周面45b(凹部53を除く部分)の周方向の算術平均粗さRaが0.5μm以下なので、不完全燃焼等によって生じたカーボンを外周面45b及び端面45aに付着させ難くできる一方で、凹部53にカーボンを堆積させ易くできる。凹部53に堆積したカーボンを導電経路にして放電を生じさせ、凹部53に堆積したカーボン及びその周囲の先端部45に堆積したカーボンを焼失させることができる。
本実施の形態では、中心電極60(図1参照)は軸部62の先端に段差状の小径部63が設けられている。小径部63によって、先端部45の軸孔41と小径部63との間にエアギャップを設けることができる。そのエアギャップを利用して、軸部62と小径部63との間の段差状のエッジと凹部53に堆積したカーボン(導電経路)との間に放電を発生させることができる。凹部53に堆積したカーボンを放電によって焼き切り、放電によって生じる火炎によって、その周辺に存在するカーボンを焼失させることができる。
凹部53は先端部45の外周面45bから端面45aにかけて連続しているので、凹部53に堆積したカーボンによる導電経路を、先端部45の外周面45bから端面45aにかけて形成できる。先端部45の端面45aに導電経路を存在させ易くできるので、中心電極60(図1参照)の小径部63を利用した放電を生じ易くできる。なお、端面45aの凹部53は必ずしも必要ではない。
凹部53は深さDが3μm未満であると、凹部53に進入したカーボンが滞留し難くなる傾向がみられる。凹部53の深さDが20μmを超えると、凹部53が、印加電圧による先端部45の貫通破壊の起点となるおそれがある。凹部53の深さDを3μm以上20μm以下にすることによって、先端部45の強度を確保しつつ凹部53にカーボンを堆積し易くできる。
凹部53の幅Wが3μm未満であると、凹部53にカーボンが進入し難くなる傾向がみられる。凹部53の幅Wが200μmを超えると、凹部53に進入したカーボンが滞留し難くなる傾向がみられる。凹部53の幅Wを3μm以上200μm以下にすることによって、凹部53にカーボンを進入させて滞留させ易くできる。
凹部53の長さLが0.1mm未満であると、凹部53に堆積したカーボンによる導電経路が短くなるので、堆積したカーボンを導電経路にした放電が生じ難くなる傾向がみられる。20mmを超えて凹部53を長くしても、凹部53の先端側に進入するカーボンの量に比べて、凹部53の後端側に進入するカーボンの量は少ないので、凹部53に堆積するカーボンの量はほとんど変わらない。凹部53の長さLを0.1mm以上20mm以下にすることによって、放電に寄与する導電経路を形成し易くできる。
なお、凹部53は、端面45aのみに形成される場合、外周面45bのみに形成される場合、端面45aから外周面45bにかけて形成される場合がある。凹部53が先端部45のどの部分に形成されていても、凹部53の長さLは、凹部53(深さ3~20μmの部分)の全長をいう。
凹部53は先端部45の外周面45bのうち第1領域56を中心に±15°の範囲に設けられているので、先端部45のうち凹部53が形成される部分の厚さを確保できる。先端部45の強度や絶縁性に凹部53が与える影響を抑制できるので、先端部45の強度や絶縁性を確保できる。
なお、第2領域57の長さL2を第1領域56の長さL1で除した値L2/L1は0.7~0.96が好適である。L2/L1<0.7であると、第2領域57の長さL2(第2領域57の肉厚)が薄くなるので、第2領域57の耐電圧が低下する傾向がみられる。L2/L1>0.96であると、先端部45の肉厚にもよるが、印加電圧による凹部53を起点とした先端部45の貫通破壊が生じるおそれがある。0.7≦L2/L1≦0.96にすることにより、先端部45の耐電圧を確保できると共に、印加電圧による凹部53を起点とした先端部45の貫通破壊を抑制できる。
図4は図1のIV-IV線におけるスパークプラグ10の断面図である。図4では簡略化のため、中心電極60(軸部62)に埋設された芯材61の図示が省略されている。図4に示すように絶縁体40は、軸方向視において、中心電極60を挟んで接地電極30(電極母材31)の反対側に凹部53が存在するように配置されている。
中心電極60を挟んで接地電極30の反対側(図4右側)は、接地電極30側(図4左側)に比べて、接地電極30が存在しない分だけ、放電により発生した火炎核が成長できる空間を広くできる。その結果、接地電極30側に凹部53を配置する場合に比べて、凹部53に堆積したカーボンが焼失するときに生じる火炎を大きくできる。その火炎によって、先端部45に付着したカーボンを広範囲に亘って焼失させることができるので、スパークプラグ10の耐汚損性を向上できる。
なお、接地電極30の反対側に凹部53を設けるには、予め接地電極30が接合された主体金具20を絶縁体40に精度良く組み付ける必要がある。図5を参照して主体金具20と絶縁体40との関係を説明する。図5は図1の矢印V-V線におけるスパークプラグ10の断面図である。
絶縁体40は、突出部42の外周面に係合部42aが形成されている。係合部42aは、主体金具20に形成される被係合部58(後述する)と周方向に係合する部位である。本実施の形態では、突出部42は軸方向視における外形が略正六角形(多角形)の多角柱状に形成されるので、多角柱の稜および稜に隣り合う面が係合部42aを構成する。
突出部42は、周方向の位置決めのための目印42bが外周面に形成される。本実施の形態では、目印42bは、稜の1つを落とした面取りによる角面である。目印42bは、軸方向視において、軸孔41を挟んで凹部53の反対側に設けられている。絶縁体40は射出成形によって成形されるので、係合部42aや目印42bは、成形型(図示せず)を設計することで容易に成形できる。
主体金具20は内周に被係合部58が形成されている。本実施の形態では、被係合部58は工具係合部23の内周に形成されている。被係合部58は、絶縁体40の突出部42が挿入されるように、突出部42よりも少し大きめの略正六角形(多角形)の筒状に形成されている。多角形の稜および稜に隣り合う面が被係合部58を構成する。工具係合部23は、外形が、被係合部58と相似形の正六角形に形成されている。
被係合部58は、絶縁体40の周方向の位置決めのための目印59が、稜の1か所に形成されている。目印59は、絶縁体40の突出部42に形成された目印42bに対応する部位であり、貫通孔21(図1参照)の一部が径方向の内側に突出している。目印59は、接地電極30の電極母材31が主体金具20に接合された位置を軸線O方向に延長した位置に設けられている。主体金具20は冷間鍛造等によって成形されるので、多角形状の被係合部58は比較的容易に形成される。
主体金具20及び絶縁体40にそれぞれ目印42b,59が形成されているので、目印42b,59を合致させて絶縁体40を主体金具20に挿入すると、軸方向視において、中心電極60を挟んで接地電極30(電極母材31)の反対側に凹部53を配置できる。なお、目印42b,59同士を合致させないと突出部42を主体金具20へ挿入できないように被係合部58が形成されているので、主体金具20に対する絶縁体40の組み付け位置の間違いが発生しないようにできる。
突出部42に係合部42aが形成されているので、主体金具20の被係合部58に係合部42aが周方向に係合すると、主体金具20に対する絶縁体40の凹部53の位置が定められる。よって、主体金具20に対する凹部53の位置決めを容易にできる。
工具係合部23は外形が被係合部58と相似形なので、被係合部58が形成されていない従来の主体金具に比べて、工具係合部23の外形を小さくできる。以下、図6を参照してこれを説明する。図6は工具係合部23の断面図である。図6では、軸線Oと直交する方向
に切断した工具係合部23の断面が実線で図示され、従来の工具係合部80の断面が二点鎖線で図示されている。
に切断した工具係合部23の断面が実線で図示され、従来の工具係合部80の断面が二点鎖線で図示されている。
従来の工具係合部80は貫通孔21の断面が円形である。工具係合部80の強度を確保するために、円形の貫通孔21の外側に所定の距離(厚さT)を確保して工具係合部80の正六角形の外形が設定される。
本実施の形態では、貫通孔21に内接する正六角形を被係合部58とする(目印59は除く)。従来と同様に、被係合部58の外側に所定の距離(厚さT)を確保して、被係合部58と相似形の工具係合部23の外形を設定すれば、図6から明らかなように、工具係合部23の外形を従来の工具係合部80の外形より小さくできる。工具係合部23の外形を小さくした分だけスパークプラグ10を小径化できるので、内燃機関(図示せず)の周囲の省スペース化に寄与できる。また、従来の工具係合部80に比べて工具係合部23の角部の肉厚を薄くできるので、その分だけ軽量化できると共に主体金具20の材料コストを削減できる。
次に図7を参照して第2実施の形態について説明する。第1実施の形態では、断面が楕円形の先端部45に断面が円形の軸孔41が形成される場合について説明した。これに対し第2実施の形態では、断面が円形の先端部92に断面が楕円形の軸孔91が形成される場合について説明する。なお、第1実施の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7は第2実施の形態におけるスパークプラグの絶縁体90の先端部92の断面図である。
図7に示すように先端部92は、軸線Oと直交する面で切断した断面の外形が円形であり、軸孔91が楕円形である。絶縁体90は、第1実施の形態で説明したスパークプラグ10の絶縁体40に代えて、主体金具20に保持される。本実施の形態では、第1仮想直線54は軸孔91の短軸と重なり、第2仮想直線55は軸孔91の長軸に重なる。なお、第1仮想直線54及び第2仮想直線55の位置は、これに限られるものではなく、L1>L2を満たす範囲で適宜設定できる。
先端部92のうち第1仮想直線54と重なる第1領域94の長さL1は、第2仮想直線55と重なる第2領域95の長さL2より長く設定される。先端部92は、外周面93の周方向の算術平均粗さRaが0.5μm以下である。凹部96は、先端部92の外周面93のうち第1領域94を中心に±15°の範囲に設けられている。本実施の形態では、凹部96は、周方向に互いに間隔をあけて先端部92の外周面93に2個設けられている。凹部96は周方向に等間隔に配置されている。
凹部96が周方向に互いに間隔をあけて2個設けられているので、凹部96にカーボンが堆積して生じる導電経路を複数にできる。導電経路が単数の場合に比べて、カーボンを焼失させる放電を生じ易くできるので、耐汚損性を向上できる。また、凹部96は周方向に等間隔に配置されているので、スパークプラグが内燃機関(図示せず)に取り付けられたときに凹部96を全方位に配置できる。よって、内燃機関に取り付けられた絶縁体90の方位に依存して耐汚損性にばらつきが生じないようにできる。
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。
種々の絶縁体40を組み付けたスパークプラグ10のサンプル1~30を作成し、汚損性および耐電圧を評価した。サンプル1~30は、表1に示すように、絶縁体40の先端部45の外周面45bの算術平均粗さ(Ra)、凹部53の深さD、凹部53の幅W、凹部53の数、第2領域57の長さL2を第1領域56の長さL1で除した値(長さ比)、第1領域56に対する凹部53の位置(角度)を異ならせたものである。なお、凹部53の長さLは、サンプル1~30の全てにおいて15mmとした。また、凹部53が複数形成されたサンプルは、凹部を周方向に等間隔に配置した。
汚損性は、JIS D1606(1987年)に規定された「くすぶり汚損試験」に基づいて評価した。低温試験室内(-10℃)のシャシダイナモメータ上に排気量1500ccの4気筒エンジンを有する試験用自動車を置き、この自動車のエンジンの各気筒にスパークプラグを取り付けた。一つのサンプルについて4本のスパークプラグ10を準備して汚損性を評価した。
サンプルを取り付けた自動車のエンジンを始動し、空吹かしを3回行った後、3速35km/hで40秒間走行し、90秒間のアイドリングをはさんで、3速35km/hで40秒間走行した。その後、エンジンを停止し冷却させた。エンジンを再び始動し、空吹かしを3回行った後、1速15km/hで20秒間走行することを、30秒間のエンジン停止をはさみつつ合計3度行い、その後エンジンを停止した。この一連のパターンを1サイクルとして、複数サイクルを繰り返した。
各サイクルの終了時に4本のサンプルを自動車から取り外し、取り外したサンプルを圧力チャンバに取り付け、端子金具70と主体金具20との間に電圧を印加して、中心電極60と接地電極30との間に正規の放電(チップ32,65間の放電)が生じるか否かを調べた。4本とも正規の放電が生じたサンプルは「A」、正規の放電が生じたものが2~3本のサンプルは「B」、正規の放電が生じたものが1本のサンプルは「C」、1本も正規の放電が生じなかったサンプルは「D」と評価した。
耐電圧は、スパークプラグ10に組み付ける前の絶縁体40について試験を行った。先端部45を下にして絶縁体40を鉛直方向に立てた状態で、突出部42を絶縁部材(図示せず)で支持し、軸孔41に棒状の第1電極(図示せず)を挿入した。先端部45を取り囲むようにリング状の第2電極(図示せず)を配置し、絶縁性のオイルを溜めた油槽(図示せず)の中に、絶縁体40、第1電極および第2電極を沈めた。絶縁性のオイルは、3M(登録商標)社製のフロリナート(登録商標)FC-43を用いた。
第1電極と第2電極との間に電圧を印加し、絶縁破壊電圧を調べた。絶縁破壊電圧が50kV/mm以上のサンプルは「A」、絶縁破壊電圧が45kV/mm以上50kV/mm未満のサンプルは「B」、絶縁破壊電圧が40kV/mm以上45kV/mm未満のサンプルは「C」、絶縁破壊電圧が40kV/mm未満のサンプルは「D」と評価した。
サンプル1~23に注目すると、凹部の深さが5~10μmであるサンプル3~12,15~23は、汚損性の評価がA又はBであった。一方、その条件を満たさないサンプル1,2,13,14は、汚損性の評価がCであった。これにより、凹部の深さを5~10μmとすることにより、耐汚損性を向上できることが確認された。
サンプル3~12,15~25に注目すると、凹部の幅が3~200μmであるサンプル3~12,15~23は、汚損性の評価がA又はBであった。一方、その条件を満たさないサンプル24,25は、汚損性の評価がCであった。これにより、凹部の幅を3~200μmとすることにより、耐汚損性を向上できることが確認された。
サンプル3~12,15~23に注目すると、凹部の数が4又は8個のサンプル15,16は、汚損性の評価がAであった。一方、凹部の数が1個のサンプル3~12,17~22は、汚損性の評価がBであった。また、凹部の数が10個のサンプル23は、汚損性の評価がCであった。これにより、凹部を複数(最大8個)設けることにより、耐汚損性を向上できることが確認された。
サンプル17~22は、第1領域の長さL1と第2領域の長さL2とが異なるサンプルであった。サンプル17~22は、いずれも汚損性の評価はBであった。しかし、耐電圧の評価において、サンプル17~19は評価Aであったのに対して、サンプル20は評価Bであり、サンプル21,22は評価Cであった。これにより、第1領域の長さL1と第2領域の長さL2とを異ならせる場合に、耐電圧特性を向上させるため、L2/L1≧0.70が好ましいことが確認された。また、第1領域の長さL1と第2領域の長さL2とを異ならせる場合に、耐電圧特性を向上させるため、第1領域から15°以内に凹部を設けるのが好ましいことが確認された。
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、絶縁体40,90の形状や寸法などは一例であり適宜設定できる。
上記各実施の形態では中心電極60の先端に小径部63を設け、小径部63と絶縁体40,90の軸孔41,91との間のエアギャップを利用して、小径部63の段差状のエッジと凹部53,96に堆積したカーボン(導電経路)との間に放電を発生させ、カーボンを焼き切る場合について説明した。しかし、必ずしもこれに限られるものではない。小径部63の代わりに、主体金具20に電気的に接続された周知の副電極を設けることは当然可能である。この場合には、凹部53,96に堆積したカーボンと副電極との間に放電を生じさせてカーボンを焼失させることができる。
なお、小径部63や副電極は必ずしも必要ではない。小径部63や副電極を設けなくても、凹部53,96に堆積したカーボン(導電経路)と中心電極60や主体金具20とのエアギャップに放電を生じさせてカーボンを焼き切る周知の手段は適宜採用できる。
また、凹部53,96に堆積したカーボン(導電経路)を利用して、先端部45,92を帯電させ難くすることは可能である。先端部45,92を帯電させ難くすることにより、カーボンを先端部45,92に吸着させ難くすることができる。その結果、先端部45,92へのカーボンの堆積を防ぎ、先端部45,92の絶縁抵抗の低下を抑制できる。
また、先端部45,92の長さを長くすることにより、混合気の燃焼によって発生した熱を先端部45,92に蓄積して、凹部53,96に堆積したカーボンを焼失させることは可能である。凹部53,96に堆積したカーボンを焼失させることで、先端部45,92へのカーボンの堆積を防ぎ、先端部45,92の絶縁抵抗の低下を抑制できる。
上記各実施の形態では、主体金具20の先端に接合された接地電極30が軸線O方向に突出するスパークプラグ10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。中心電極60を取り巻くように接地電極を配置したスパークプラグ(いわゆる沿面放電プラグ)や、接地電極を複数配置したスパークプラグ(いわゆる多極プラグ)に上記各実施の形態の絶縁体40,90を適用することは当然可能である。
上記第1実施の形態では先端部45は断面が楕円形、軸孔41は断面が円形に形成される場合について説明し、第2実施の形態では先端部92は断面が円形、軸孔91は断面が楕円形に形成される場合について説明した。しかし、必ずしもこれに限られるものではない。先端部や軸孔の楕円形の形状を長円状や角丸状にすることは当然可能である。この場合も、肉厚の異なる第1領域および第2領域を先端部に形成できるからである。
上記各実施の形態では、絶縁体40,90
の先端部45,92に肉厚の異なる第1領域56,94及び第2領域57,95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。断面が円形の先端部に断面が円形の軸孔を形成する(肉厚を周方向に亘って略同一にする)ことは当然可能である。先端部の断面形状に関わらず、先端部の外周面に形成された1乃至複数の凹部を利用して、先端部に堆積したカーボンを焼失させることができる。
の先端部45,92に肉厚の異なる第1領域56,94及び第2領域57,95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。断面が円形の先端部に断面が円形の軸孔を形成する(肉厚を周方向に亘って略同一にする)ことは当然可能である。先端部の断面形状に関わらず、先端部の外周面に形成された1乃至複数の凹部を利用して、先端部に堆積したカーボンを焼失させることができる。
上記各実施の形態では、先端部45,92に1個または2個の凹部53,96が形成された絶縁体40,90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。凹部の数は適宜設定できる。なお、凹部の数は2~8個が好適である。凹部の数が9個より多くなると、凹部に堆積したカーボンによる導電経路の数が多いので、導電経路と電極との間のエアギャップに微小な放電が比較的頻繁に生じ、カーボンを焼き切り難くなる傾向がみられるからである。
上記各実施の形態では、工具係合部23が六角形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。レンチ等の工具が係合できる面、好ましくは軸線Oに平行な2面があれば、工具係合部23の形状は当然に適宜設定できる。
上記各実施の形態では、主体金具20の被係合部58が六角形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。被係合部58は、軸線Oと直交する断面の形状が、工具係合部23の軸線Oと直交する断面の形状と相似形であれば、工具係合部23の肉厚を薄くできる。よって、被係合部58の形状は、工具係合部23の形状に合わせて適宜設定できる。
上記各実施の形態では、絶縁体40,90の突出部42に六角形の係合部42aが形成された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。係合部42aは、主体金具20に対する絶縁体40の周方向の位置決めをするために、主体金具20の被係合部58と周方向に係合する部位なので、被係合部58の形状に応じて、軸線Oを中心にして被係合部58の内側を回転できないような形状に適宜設定できる。
上記各実施の形態では、絶縁体40,90の突出部42に、稜の1つを落とした面取りからなる目印42bが形成された場合について説明したが、これに限られるものではない。目印42bの形状や位置は当然任意に設定できる。同様に、目印42bに対応して主体金具20に設けられる目印59の位置や形状も、当然のことながら任意に設定できる。
上記各実施の形態では、接地電極30及び中心電極60がそれぞれチップ32,65を備え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。チップ32,65を省略することは当然可能である。
上記実施の形態では、抵抗体71が絶縁体40,90に内蔵されるスパークプラグ10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。抵抗体71を内蔵しないスパークプラグの製造に上記各実施の形態を適用することは当然可能である。この場合には抵抗体71及び導電性シール73を省略して、導電性シール72によって中心電極60と端子金具70とを接合すれば良い。
10 スパークプラグ 20 主体金具 27 棚部 30 接地電極 40,90 絶縁体 41,91 軸孔 42 突出部 42a 係合部 45,92 先端部 45a 端面 45b,93 外周面 46 段部 53,96 凹部 54 第1仮想直線 55 第2仮想直線 56,94 第1領域 57,95 第2領域 58 被係合部 60 中心電極 D 深さ L 長さ W 幅 O 軸線
Claims (10)
- 先端側から後端側へと軸線に沿って延びる中心電極と、
前記軸線に沿って形成された軸孔に前記中心電極が配置されると共に先端側から後端側へ向かうにつれて拡径する段部が外周面に形成された円筒状の絶縁体と、
前記段部と軸方向に対向する棚部が内周面に形成されると共に前記絶縁体の径方向の外側に配置される筒状の主体金具と、
前記主体金具に接続され、前記中心電極と対向する接地電極と、を備えるスパークプラグであって、
前記絶縁体は、前記絶縁体のうち前記段部よりも先端側に位置する先端部を備え、
前記先端部は、前記外周面の周方向の算術平均粗さが0.5μm以下であり、前記先端部の端面および前記外周面の少なくとも一部には、深さが3~20μmの凹部が先端側から後端側へと延設されているスパークプラグ。 - 前記凹部は、前記深さが5~10μmである請求項1記載のスパークプラグ。
- 前記凹部は、周方向の幅が3~200μmである請求項1又は2記載のスパークプラグ。
- 前記凹部は、軸線方向の長さが0.1~20mmである請求項1から3のいずれかに記載のスパークプラグ。
- 前記凹部は、周方向に互いに間隔をあけて前記先端部に2~8個が設けられている請求項1から4のいずれかに記載のスパークプラグ。
- 前記凹部は、周方向に等間隔に配置されている請求項5記載のスパークプラグ。
- 前記軸線に直交する断面において、前記軸線を通る第1仮想直線と、前記軸線を通り該第1仮想直線に直交する第2仮想直線と、を引いたときに、前記先端部のうち前記第1仮想直線と重なる第1領域の長さは、前記先端部のうち前記第2仮想直線と重なる第2領域の長さより長く設定され、
前記凹部は、前記先端部のうち前記第1領域を中心に±15°の範囲に設けられている請求項1から6のいずれかに記載のスパークプラグ。 - 前記第2領域の長さを前記第1領域の長さで除した値は0.7~0.96である請求項7記載のスパークプラグ。
- 前記凹部は、軸方向視において、前記中心電極を挟んで前記接地電極の反対側に設けられている請求項1から8のいずれかに記載のスパークプラグ。
- 前記絶縁体は、前記外周面のうち前記段部よりも後端側の部位から径方向の外側へ突出する突出部を備え、
前記主体金具は、前記内周面のうち前記棚部よりも後端側の部位に設けられる被係合部を備え、
前記突出部は、前記被係合部と周方向に係合する係合部を備えている請求項1から9のいずれかに記載のスパークプラグ。
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