WO2022004440A1 - 内燃機関用のスパークプラグ - Google Patents

Abstract

内燃機関用のスパークプラグ（１）は、絶縁碍子（３）と、先端突出部（４１）を有する中心電極（４）と、ハウジング（２）と、接地電極（６）と、プラグカバー（５）と、を有する。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。噴孔（５１）は、噴孔（５１）を介して副燃焼室（５０）に気流が導入されることによって副燃焼室（５０）にスワール流が生じるように形成されている。副燃焼室（５０）は、絶縁碍子（３）の外周面とハウジング（２）の内周面との間に、環状の空間であるポケット部（５９）を有する。絶縁碍子（３）の外周面は、ポケット部（５９）に対向する部位に、先端側へ向かうほど縮径する碍子傾斜面（３１）を有する。ハウジング（２）の内周面は、ポケット部（５９）に対向する部位に、基端側へ向かうほど縮径するハウジング傾斜面（２１）を有する。

Description

内燃機関用のスパークプラグ 関連出願の相互参照

　本出願は、２０２０年７月１日に出願された日本出願番号２０２０－１１４１１７号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、内燃機関用のスパークプラグに関する。

　副燃焼室を備えたスパークプラグにおいて、副燃焼室にスワール流が形成されるよう構成されたものが、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１には、副燃焼室における中心部付近の気流よりも、周縁部付近の気流の速度を大きくすることが記載されている。

特開２０１６－１４８３３６号公報

　中心部付近の気流の速度が小さいと、中心電極と接地電極との間の放電ギャップを通過する気流の速度が小さくなりやすい。そうすると、放電ギャップに形成された放電が伸長され難くなる。それゆえ、副燃焼室における燃焼速度を向上させることが困難となるおそれがある。その結果、副燃焼室から内燃機関の主燃焼室への火炎ジェットが強化され難く、主燃焼室における燃焼効率を向上させることが困難となるおそれがある。

　本開示は、燃焼効率を向上させることができる、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。

　本開示の一態様は、筒状の絶縁碍子と、
　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を有する中心電極と、
　上記絶縁碍子を内周側に保持する筒状のハウジングと、
　上記中心電極との間に放電ギャップを形成する接地電極と、
　上記放電ギャップが配される副燃焼室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が設けられており、該噴孔は、該噴孔を介して上記副燃焼室に気流が導入されることによって該副燃焼室にスワール流が生じるように形成されており、
　上記副燃焼室は、上記絶縁碍子の外周面と上記ハウジングの内周面との間に、環状の空間であるポケット部を有し、
　上記絶縁碍子の外周面は、上記ポケット部に対向する部位に、先端側へ向かうほど縮径する碍子傾斜面を有し、
　上記ハウジングの内周面は、上記ポケット部に対向する部位に、基端側へ向かうほど縮径するハウジング傾斜面を有する、内燃機関用のスパークプラグにある。

　上記内燃機関用のスパークプラグにおいて、上記絶縁碍子の外周面は、上記碍子傾斜面を有し、上記ハウジングの内周面は、上記ハウジング傾斜面を有する。これにより、副燃焼室に形成されたスワール流が、放電ギャップを充分な強さの気流として通過しやすくなる。

　その結果、放電ギャップに形成された放電が伸長されやすくなり、副燃焼室における燃焼速度を向上させることができる。それゆえ、副燃焼室から内燃機関の主燃焼室への火炎ジェットが強化されやすく、主燃焼室における燃焼効率を向上させることができる。

　以上のごとく、上記態様によれば、燃焼効率を向上させることができる、内燃機関用のスパークプラグを提供することができる。

　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、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であって、図２のＩ－Ｉ線矢視断面相当図であり、 図２は、図１のII矢視図であり、 図３は、図２のIII－III線矢視断面相当図であり、 図４は、実施形態１における、内燃機関に取り付けられたスパークプラグの正面図であり、 図５は、実施形態１における、ポケット部の気流の模式図であり、 図６は、比較形態における、ポケット部の気流の模式図であり、 図７は、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であり、 図８は、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であり、 図９は、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であり、 図１０は、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であり、 図１１は、実施形態６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であり、 図１２は、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であり、 図１３は、実施形態８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である。

（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５を参照して説明する。
　本形態のスパークプラグ１は、図１～図３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、接地電極６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ている。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を内周側に保持している。接地電極６は、中心電極４との間に放電ギャップＧを形成している。プラグカバー５は、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。副燃焼室５０に放電ギャップＧが配されている。

　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。噴孔５１は、噴孔５１を介して副燃焼室５０に気流が導入されることによって副燃焼室５０にスワール流が生じるように形成されている。

　副燃焼室５０は、ポケット部５９を有する。ポケット部５９は、絶縁碍子３の外周面とハウジング２の内周面との間に形成される、環状の空間である。
　絶縁碍子３の外周面は、ポケット部５９に対向する部位に、先端側へ向かうほど縮径する碍子傾斜面３１を有する。ハウジング２の内周面は、ポケット部５９に対向する部位に、基端側へ向かうほど縮径するハウジング傾斜面２１を有する。

　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。図４に示すごとく、ハウジング２の外周面に形成した取付ネジ部２４を、プラグホールの雌ネジ部１２に螺合して、スパークプラグ１が内燃機関に取り付けられる。そして、スパークプラグ１の軸方向Ｚ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。また、スパークプラグ１の軸方向Ｚを、適宜、プラグ軸方向Ｚ、或いは単に、軸方向Ｚともいう。

　図１に示すごとく、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。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。各噴孔５１は、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。

　内燃機関の圧縮行程等においては、噴孔５１を通じて主燃焼室１１から副燃焼室５０へ、気流が導入される。ここで、噴孔５１を通じて副燃焼室５０に導入される気流によって、副燃焼室５０にスワール流が生じるように、噴孔５１が形成されている。具体的には、図２に示すごとく、スパークプラグ１を軸方向Ｚから見たとき、噴孔５１の中心軸の延長線（以下において、適宜「噴孔軸５１Ｌ」ともいう。）が、プラグ中心軸ＰＣを通らない状態にて、噴孔５１が形成されている。本形態において、噴孔軸５１Ｌは、中心電極４を通らない。プラグ中心軸ＰＣは、スパークプラグ１の中心軸であり、本形態において、中心電極４の中心軸でもある。

　軸方向Ｚから見たとき、噴孔５１とプラグ中心軸ＰＣとを通過するプラグ径方向に延びる仮想直線ＶＬに対して、噴孔軸５１Ｌは鋭角の角度αをもって傾斜している。複数の噴孔５１は、各噴孔５１における仮想直線ＶＬに対する噴孔軸５１Ｌの傾斜方向が、プラグ周方向における同じ側となっている。本形態において、複数の噴孔５１は、上記角度αが互いに同等である。なお、プラグ周方向は、プラグ中心軸ＰＣを中心とする円周に沿った方向である。プラグ径方向は、プラグ中心軸ＰＣに直交する方向である。

　このような噴孔５１の形成態様により、噴孔５１から副燃焼室５０に導入された気流によって、副燃焼室５０にスワール流が形成される。本形態の場合、スワール流は、プラグ中心軸ＰＣの周りに、図２における反時計回りの螺旋状に生じる。

　図１～図３に示すごとく、放電ギャップＧは、中心電極４の先端突出部４１の外周側に形成されている。すなわち、接地電極６は、中心電極４の先端突出部４１に対して、プラグ径方向の外側から対向するように配置されている。そして、対向配置された先端突出部４１の外周面と接地電極６との間に放電ギャップＧが形成されている。

　本形態において、接地電極６は、ハウジング２に固定されている。すなわち、接地電極６は、ハウジング２の内側面から中心電極４側へ、プラグ径方向の内側に突出している。

　絶縁碍子３は、ハウジング２の内側に配置されるとともに、ハウジング２によって軸方向Ｚに支持されている。すなわち、ハウジング２の内周面に設けられた係止部２３に、絶縁碍子３の外周面に設けられた被係止部３２が、軸方向Ｚの先端側から係止されている。係止部２３よりも先端側に、ポケット部５９が形成されている。

　本形態においては、絶縁碍子３の外周面のうち、ポケット部５９に対向する部位の略全体に、碍子傾斜面３１が設けてある。また、本形態においては、ハウジング２の内周面のうち、ポケット部５９に対向する部位の略全体に、ハウジング傾斜面２１が設けてある。ハウジング２の内周面は、中心電極４の先端突出部４１に対向する部位に、プラグ軸方向Ｚに平行なストレート部２２を有する。

　ハウジング２の内周面における、ハウジング傾斜面２１の先端側の部位が、ストレート部２２となっている。本形態において、ハウジング傾斜面２１の先端、ストレート部２２の基端は、絶縁碍子３の先端と、略同等の軸方向Ｚの位置となっている。また、接地電極６は、ハウジング２の内周面のストレート部２２から突出している。また、ポケット部５９の基端には、先端側を向いた天井面５９１が環状に形成されている。

　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、絶縁碍子３の外周面は、碍子傾斜面３１を有し、ハウジング２の内周面は、ハウジング傾斜面２１を有する。これにより、副燃焼室５０に形成されたスワール流が、放電ギャップＧを充分な強さの気流として通過しやすくなる。

　すなわち、噴孔５１から副燃焼室５０に導入された気流は、副燃焼室５０の内壁に沿ってスワール流を形成しつつ基端側へ向かう。そして、スワール流は、ポケット部５９をハウジング２の内周面に沿って基端側へ移動しながら旋回する。ここで、図５に示すごとく、ハウジング２の内周面はハウジング傾斜面２１を有するため、基端側へ移動するスワール流は、ポケット部５９の基端部に向かうにつれて徐々にプラグ中心軸ＰＣに近付く。図５に符号Ｆ１を付した記号は、ポケット部５９における、基端側へ向かうスワール流の主流のイメージを示す。後述する図６においても同様である。

　その後、ポケット部５９の基端部において跳ね返ったスワール流は、先端側へ向かいながら旋回する。このときのスワール流には、プラグ中心軸ＰＣに近付く方向のベクトル成分も残っている。それゆえ、絶縁碍子３の外周面に沿って先端側へ向かいながら旋回する。図５に符号Ｆ２を付した記号は、ポケット部５９における、先端側へ向かうスワール流の主流のイメージを示す。後述する図６においても同様である。

　絶縁碍子３の外周面は碍子傾斜面３１を有するため、先端側へ向かうスワール流は、徐々にプラグ中心軸ＰＣに近付く。すなわち、スワール流は、基端側へ移動する際も、その後先端側へ移動する際も、徐々にプラグ中心軸ＰＣに近付く。これにより、中心電極４の近傍における気流を強くすることができる。つまり、放電ギャップＧにおける気流を強くすることができる。

　その結果、放電ギャップＧに形成された放電が伸長され、副燃焼室５０における燃焼速度を向上させることができる。それゆえ、副燃焼室５０から内燃機関の主燃焼室１１への火炎ジェットが強化されやすく、主燃焼室１１における燃焼効率を向上させることができる。

　比較形態として、図６に、ハウジング２の内周面がハウジング傾斜面を備えない場合のポケット部５９０を示す。すなわち、ハウジング２の内周面が、ポケット部５９０に対向する部位においても、軸方向Ｚに平行な面となっている。
　この比較形態のスパークプラグにおいても、副燃焼室５０に導入された気流は、内壁に沿ってスワール流を形成しつつ基端側へ向かう。

　しかし、ハウジング２の内周面に傾斜面が形成されていないため、基端側へ向かうほどスワール流が徐々にプラグ中心軸ＰＣに近付くという現象は、特に生じない。それゆえ、ポケット部５９０の基端部において折り返されて先端側へ向かうスワール流も、ポケット部５９０の外周側、すなわちハウジング２の内周面に沿って、先端側へ向かう。その結果、先端側へ向かうスワール流も、副燃焼室５０における比較的内側の位置において強くなり難い。それゆえ、中心電極４付近においては、強いスワール流を得ることが困難となる。つまり、放電ギャップＧ付近を通過する気流を強くすることが困難となる。

　これに対して、本形態のスパークプラグ１においては、上述のように、中心電極４の近傍のスワール流を強くしやすいため、放電ギャップＧにおける気流を強くしやすくなる。また、本形態のスパークプラグ１においては、基端側へ向かうスワール流（図５の符号Ｆ１参照）と、先端側へ向かうスワール流（図５の符号Ｆ２参照）とを、ポケット部５９内の異なる位置に生じさせることができる。そのため、副燃焼室５０に効率的に気流を生じさせることができる。

　また、本形態において、放電ギャップＧは、中心電極４の先端突出部４１の外周側に形成されている。これにより、スワール流が放電ギャップＧを円滑に通過しやすい。それゆえ、効果的に放電を引き伸ばしやすくなる。

　また、ハウジング２の内周面は、中心電極４の先端突出部４１に対向する部位に、ストレート部２２を有する。これにより、ハウジング２の厚みを確保しつつ、ハウジング２の内周面と中心電極４との間の距離を確保しやすい。すなわち、仮に、後述する実施形態２のように、ストレート部２２を設けない場合には、比較的中心電極４とハウジング２の内周面との間の距離が近くなりやすい。そうすると、中心電極４とハウジング２との間での放電（以下、横飛び火ともいう。）を抑制しにくくなるおそれがある。横飛び火を防ぐために、ハウジング２を大きくしようとすると、スパークプラグ１の小型化が困難となる。そこで、ストレート部２２を設けることで、スパークプラグ１の小型化と横飛び火の抑制との両立を図りやすくなる。かかる観点において、ストレート部２２の基端は、絶縁碍子３の先端と同程度の軸方向Ｚの位置か、それよりも基端側にあることが、より好ましい。

　以上のごとく、本形態によれば、燃焼効率を向上させることができる、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７に示すごとく、ハウジング２の内周面にストレート部（図１、図３における符号２２参照）を設けていないスパークプラグ１の形態である。
　すなわち、本形態のスパークプラグ１は、副燃焼室５０に面する内周面の全体にわたり、ハウジング傾斜面２１を設けている。中心電極４における絶縁碍子３から突出している部分、すなわち先端突出部４１に対向する部位においても、ハウジング２の内周面はハウジング傾斜面２１を有する。

　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、ストレート部２２による作用効果以外は、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施形態３）
　本形態は、図８に示すごとく、ポケット部５９の基端部に、先端側を向いた面（図１、図３における符号５９１参照）を設けていない、スパークプラグ１の形態である。
　本形態においては、ポケット部５９の基端部が、ハウジング傾斜面２１と碍子傾斜面３１とが鋭角に交わる部位に略一致する。
　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得ることができる。

（実施形態４）
　本形態は、図９に示すごとく、接地電極６を、ハウジング２の先端とプラグカバー５の基端との間の部位に接合した形態である。
　本形態においては、接地電極６を、クランク形状としている。接地電極６は、接合側端部６３と、接合側端部６３よりも基端側に配される放電側端部６１とを有する。接地電極６は、接合側端部６３と放電側端部６１とを軸方向Ｚに繋ぐ中継部６２を有する。

　接合側端部６３は、ハウジング２の先端面又はプラグカバー５の基端部に接合される。中継部６２は、ハウジング２の内周面のストレート部２２に沿って配置されている。放電側端部６１は、中心電極４の先端部の側面に対向配置される。これにより、放電側端部６１と中心電極４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、ハウジング２の先端よりも基端側に形成されている。
　その他は、実施形態１と同様である。

　本形態においては、接地電極６の取り付けを容易に行うことができる。その一方で、放電ギャップＧを、ハウジング２の先端部よりも基端側に形成することができ、噴孔５１からの火炎ジェットの強化を図りやすくなる。それゆえ、本形態の場合には、生産性の向上と燃焼効率の向上との両立を図りやすくなる。
　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１０に示すごとく、接地電極６を、プラグカバー５から基端側に立設させた形態である。
　すなわち、接地電極６の一端を、副燃焼室５０の先端側におけるプラグカバー５の一部に接合している。そして、接地電極６の他端の側面を、中心電極４の先端突出部４１に、プラグ径方向から対向させている。これにより、接地電極６の側面と先端突出部４１の側面との間に、放電ギャップＧを形成している。
　その他は、実施形態１と同様である。
　本形態の場合にも、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１１に示すごとく、絶縁碍子３の外周面のうち、ポケット部５９に対向する部位の一部にのみ、碍子傾斜面３１を設けた形態である。
　すなわち、碍子傾斜面３１の外周面のうち、ポケット部５９に対向する部位の一部は、軸方向Ｚに平行な碍子平行部３３となっている。碍子平行部３３の基端側に碍子傾斜面３１が形成されている。
　その他は、実施形態１と同様である。
　本形態の場合にも、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態７）
　本形態は、図１２に示すごとく、中心電極４の先端突出部４１に、延設部４１１を設けた形態である。
　延設部４１１は、例えば、略直方体形状の金属部材を、中心電極４の本体部の先端に接合することにより形成することができる。この延設部４１１は、中心電極４から、プラグ径方向の外側へ突出している。そして、この延設部４１１の延設側の端縁に、プラグ径方向の外側から対向するように、接地電極６が配設されている。つまり、プラグ径方向に対向する延設部４１１と接地電極６との間に、放電ギャップＧが形成されている。
　その他は、実施形態１と同様である。

　本形態においては、スパークプラグ１の長寿命化を図りやすい。つまり、本形態の場合、放電ギャップＧに面する中心電極４の放電面を、例えば平坦面とすることもできる。そうすると、放電によって放電面が消耗しても、放電ギャップＧの拡大を抑制することができる。つまり、中心電極４の本体部は、円柱状とすることが一般的であり、放電面が曲面となることが多い。この場合、曲面の放電面が消耗すると、放電ギャップＧが比較的短期間にて拡大しやすい。かかる観点において、本形態は、スパークプラグ１の長寿命化を図りやすいといえる。
　その他は、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態８）
　本形態は、図１３に示すごとく、中心電極４と接地電極６とを軸方向Ｚに対向させて、放電ギャップＧを形成した形態である。
　本形態においては、実施形態７と同様に、中心電極４の先端に、延設部４１１を設けている。そして、延設部４１１を設けた中心電極４の先端側に、接地電極６を対向配置させている。これにより、中心電極４の先端側に、放電ギャップＧを設けている。そして、放電ギャップＧは、プラグ中心軸ＰＣからずれた位置に形成されている。
　その他は、実施形態１と同様である。
　本形態の場合にも、実施形態１と同様の作用効果を有する。

　上述した各実施形態において、例えば、中心電極４と接地電極６との少なくとも一方に、貴金属チップを接合した形態とすることもできる。また、プラグカバー５とハウジング２とは一体部品にて構成することもできる。また、上述した複数の実施形態を、適宜組み合わせた形態とすることもできる。

　本開示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。

　本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (3)

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、
   　上記中心電極との間に放電ギャップ（Ｇ）を形成する接地電極（６）と、
   　上記放電ギャップ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、該噴孔は、該噴孔を介して上記副燃焼室に気流が導入されることによって該副燃焼室にスワール流が生じるように形成されており、
   　上記副燃焼室は、上記絶縁碍子の外周面と上記ハウジングの内周面との間に、環状の空間であるポケット部（５９）を有し、
   　上記絶縁碍子の外周面は、上記ポケット部に対向する部位に、先端側へ向かうほど縮径する碍子傾斜面（３１）を有し、
   　上記ハウジングの内周面は、上記ポケット部に対向する部位に、基端側へ向かうほど縮径するハウジング傾斜面（２１）を有する、内燃機関用のスパークプラグ（１）。
2. 　上記放電ギャップは、上記中心電極の上記先端突出部の外周側に形成されている、請求項１に記載の内燃機関用のスパークプラグ。
3. 　上記ハウジングの内周面は、上記中心電極の上記先端突出部に対向する部位に、プラグ軸方向に平行なストレート部を有する、請求項１又は２に記載の内燃機関用のスパークプラグ。

Images