JP4761385B2

JP4761385B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP4761385B2
Application number: JP2006278179A
Authority: JP
Inventors: 計良鳥居; 和正吉田; 渉松谷
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2006-10-11
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2026-10-11
Also published as: JP2007134319A

Description

本発明は、内燃機関に取り付けられて使用されるスパークプラグに関し、特に優れた火炎成長性を実現するものに関する。

スパークプラグは内燃機関の燃焼室に中心電極、接地電極を露出させ、両電極間を火花放電間隙として火花放電を行い、機関燃焼の着火装置として用いられている。従来から、スパークプラグの長寿命化を実現するため火花放電の起点となるいずれか一方の、または両方の電極の先端部に耐火花消耗性や耐高温酸化性（以下、耐火花消耗性と耐高温酸化性とを併せて耐久性ともいう。）に優れる貴金属合金製のチップ（以下、単に貴金属チップともいう。）が接合されるものがある（例えば、特許文献１参照）。このように耐久性に優れた貴金属チップを使用することによって火花放電の起点となる貴金属チップを径小とすることができるため、長寿命化のみならず、そのチップを極細とすることによって着火した混合気である火炎の広がり（以下、単に火炎成長性ともいう。）を阻害しない構成をも実現することができる（例えば特許文献２参照）。

ところで、こうした火炎成長性を向上させる手段として極細の貴金属チップを用いる以前から様々な工夫がなされている。というのも、スパークプラグは主体金具に形成された雄ねじを内燃機関に形成された雌ねじに取り付けて使用されるが、その取り付け時に接地電極の方向性を考慮して取り付けることは非常に困難である。そのため、混合気がスパークプラグの周囲から火花放電の発生箇所へ向かうとき、及び混合気が着火して火炎が成長するときに接地電極の存在のため混合気の動きや火炎の成長を阻害してしまい、燃焼効率が低下してしまう問題があるためである。

このような問題を解決するために、例えば特許文献３に記載されるような接地電極の断面形状を円形とする構成（以下、単に丸接地電極ともいう。）がある。このような構成とすることによって、混合気の流れが接地電極によって妨げられて気流が剥離してしまうことを回避できたり、成長過程の火炎が接地電極に接触することによって熱が引かれてしまい、火炎の成長が低下してしまうことを回避することが可能となるためである。
特開平８−３３９８８０号公報特開２００２−３１３５２４号公報特開平１１−１２１１４２号公報

さて、スパークプラグが使用される自動車業界ではエンジンの小型化や高効率化が進められており、吸排気ポートの大口径化、燃料の直噴化に伴う燃焼室近傍へのインジェクターの配置等のため、スパークプラグには小径化が求められている。この要求に応えるため、スパークプラグのねじ径を例えばＭ１２以下となるような小径とすることが行われる。しかし、火花放電を発生させる高電圧を印加したときに中心電極を保持する絶縁碍子に貫通破壊が生じない程度に肉厚を持たせたり、絶縁碍子と主体金具との間での火花放電、いわゆる横飛火が生じないようにするため、所定の間隙を形成したりすることを考慮すると、接地電極が接合される主体金具の先端面にはごく限られた厚みを有することしか許容されない。

このような小径の主体金具を使用してスパークプラグを小径化するとともに、長寿命及びより優れる火炎成長性を備えさせるために丸接地電極に極細の貴金属チップを接合する構成を検討する。しかしながら、上記の通り接地電極が接合される主体金具の先端面の厚みを十分に確保することは容易ではない。従来から使用されている略矩形の接地電極であれば主体金具の先端面の厚みよりも大きい幅を持たせて主体金具の先端面に接合することができるため、接地電極の熱引きが不十分となってしまうおそれを回避することが可能である。しかし、丸接地電極では自身の断面形状が円形であるため、主体金具の先端面の厚み分の直径しか許容されないため十分な熱引きを確保することが困難である。熱伝導性に優れるＣｕ等の金属を芯材として丸接地電極を構成することも考えられるが、このような構成とすると製造工数の増大は免れない。これらの諸問題を解決した上で極細の貴金属チップを接合すれば寿命及び火炎成長性に優れるスパークプラグを実現することができる。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、その目的は、丸接地電極同等の火炎成長性を備えるとともに長寿命化を可能とし、接地電極内部に芯材を備えさせずとも熱引きに優れる接地電極を安価に実現しつつも小径のスパークプラグを提供することにある。

軸線方向に延在する棒状の中心電極と、
軸孔を備え、自身の先端面から前記中心電極の先端を突出させた状態で前記軸孔に当該中心電極を保持する筒状の絶縁碍子と、
前記絶縁碍子を保持する主体金具と、
一端が前記主体金具の先端面に接合され、この一端から他端へ向かって伸びる接地電極と、
当該接地電極の前記中心電極を臨む内側面に接合される円柱状の貴金属チップと、
を備えたスパークプラグであって、
前記接地電極を自身の延伸方向の他端側からみたときに当該接地電極は、
前記内側面に前記接地電極の外郭線が直線部となる平面と、
曲率半径ｒを有し、前記直線部の端部を起点として自身の他端に向かって延びる前記直線部の両端側に位置する２つの第１弧状部と、
当該第１弧状部の前記他端同士を連結する曲率半径Ｒを有する第２弧状部と、
から形成され、
前記第１弧状部の曲率半径ｒ、前記第２弧状部の曲率半径Ｒは、ｒ＜Ｒの関係を満たし、
前記第２弧状部の外周縁を延長して形成される仮想円弧が前記直線部の仮想延長線と交わる２つの交点間距離をＤ _１としたときに、
前記第１弧状部の曲率半径ｒをＤ _１／９≦ｒ≦Ｄ _１／５とすることを特徴とするスパークプラグ。

上記構成のように、接地電極の延伸方向の他端側からみた形状、すなわち接地電極の断面の外形線が直線部の両端を比較的小なる曲率半径の弧状部（第１弧状部）とその弧状部の端点同士を比較的大なる曲率半径の弧状部（第２弧状部）で連結して略半円形状（ただし、この略半円形状の直線部の両端は第１弧状部であり、すなわちＲ面取りされた形態である）とすることによって、丸接地電極に比較して広い接合面積をもって主体金具の先端面と接合することができるようになる。このため、接地電極の熱引きが不十分となってしまうことを回避するとともに、丸接地電極の特性である優れた火炎成長性をも備えることが可能となる。この構成を備え、かつ曲率半径の異なる第１及び第２弧状部を形成することによって、混合気等の気流が接地電極から剥離してしまい燃焼効率が悪化してしまうことを回避することができる。より好ましい形態としては、前記直線部の長さを主体金具の先端面の厚さよりも大きくし、その直線部が主体金具の先端面からはみ出ないように接合するとよい。この望ましい形態をより具体的にした構成が本発明の第２の構成である。

本発明の第２の構成は、前記第１弧状部の曲率半径ｒ、前記第２弧状部の曲率半径Ｒは、ｒ＜Ｒの関係を満たすことを特徴としている。このように平面（延伸方向からは直線状にみえる）が中心電極を臨むように接地電極を主体金具に接合するとともに曲率半径ｒ，Ｒの関係をｒ＜Ｒとすることによって、より効率的に接地電極と主体金具との接合面積を得ることができるようになる。また、貴金属チップは接地電極の側面のうち平面をなす部分に接合される形態となる。このため、貴金属チップの接地電極との接合はより安定したものとすることができる。

上記構成における第１弧状部の曲率半径ｒは次のように定めることが望ましい。それは、
前記第２弧状部の外周縁を延長して形成される仮想円弧が前記直線部の仮想延長線と交わる２つの交点間距離をＤ_１としたときに、
前記第１弧状部の曲率半径ｒをＤ_１／９≦ｒ≦Ｄ_１／５とすることである。

第１弧状部の曲率半径ｒをＤ_１／９以上とすることによって、スパークプラグの外側から中心に向けて流れる気流が第２弧状部から第１弧状部へと変わる変曲点において接地電極から剥離して燃焼効率が悪化してしまうことを抑制することができる。また、この曲率半径ｒをＤ_１／５以下に抑えることにより、貴金属チップの接合を容易にするために十分な平面を確保することができる。

この貴金属チップに注目すると、前記貴金属チップの外径φｄを０．４ｍｍ≦ｄ≦０．８ｍｍとし、かつＤ_１−２ｒ≧１．５ｄとすることが望ましい。貴金属チップの外径φｄが０．４ｍｍ未満となると耐火花消耗性、耐高温酸化性に優れる貴金属であっても長寿命を実現することが困難である。一方、φｄが０．８ｍｍを超えてしまうと火炎成長性を阻害することとなってしまい本発明の主旨から外れたものとなってしまう。このような貴金属チップを備えたとき、Ｄ_１−２ｒ、すなわち接地電極の平面部の長さは１．５ｄ以上となるようにすれば、貴金属チップを十分な強度を持って接地電極に接合することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１に本発明のスパークプラグ１００の全体図を示す。スパークプラグ１００は、概略、中心電極１０と、端子電極２０と、絶縁碍子３０と、接地電極４０及び主体金具５０とが組み合わされて構成される。以下、各部材について説明する。なお、図１においては図面下側を先端側、上側を後端側として説明する。

中心電極１０はインコネル６００（登録商標）をはじめとするＮｉ系合金を母材として、後端部に鍔部１１を有した略棒状に形成される。Ｎｉ系合金からなる母材の中心部には熱伝導性を向上させる目的でＣｕ合金が芯１２を構成している。また中心電極１０の先端にはＰｔやＩｒ等を含有する貴金属合金からなる耐久性に優れる内側チップ１３が接合される。この接合は本実施例においてはレーザービームを照射するとともに押圧する、いわゆるレーザー溶接によって行われている。

一方、主体金具５０が備える接地電極４０は、Ｎｉ系合金を母材として構成され、棒状に形成されて主体金具５０の先端に接合される。接地電極４０は先端部の一側面が中心電極１０に接合された内側チップ１３と火花放電間隙Ｇを形成するように略直角に折り曲げられる。この接地電極４０の先端部の一側面にも着火性、火炎成長性の向上や耐久性の向上を目的として中心電極１０と同様に貴金属合金からなる外側チップ４３が接合される。なお、この外側チップ４３が「貴金属チップ」に相当する。本発明の要点である接地電極４０の詳細な構成については後述する。

主体金具５０はＳ１５ＣやＳ２５Ｃ等の鉄系の金属部材やステンレス等の金属部材に塑性加工を施し略円筒形に形成され、切削等の仕上げを経てその概形が形成される。主体金具５０の外周面のうち先端側には図示しない内燃機関にスパークプラグ１００を取り付けるためのねじ部５１が転造される。このねじ部５１の後端側には内燃機関に取り付けたときにその外表面にガスケット８を介して燃焼室を気密に封止する座面を有する鍔部５２が形成されており、さらに鍔部５２の後端側には内燃機関へ取り付けるときにプラグレンチ等の工具が係合する例えば断面が六角形の工具係合部５３が形成されている。主体金具の工具係合部５３と鍔部５２との間には絶縁碍子３０を組み付けるときに座屈されるように薄肉に形成されている（なお、図１では座屈した後の形状を示している）。本実施例においては工具係合部５３の対辺寸法をＨＥＸ１４として構成している。

工具係合部５３の後端側はスパークプラグ１００の完成時に主体金具５０の最後端部となる加締め蓋６０が形成されるように薄肉の筒状に形成されている。主体金具５０の内孔５７はねじ部５１が形成された軸線Ｏ方向上の位置に小径孔５４が形成され、この小径孔５４のうちの先端側に径方向内向きに突出した棚部５５が形成されている。この小径孔５４に連なる後端側は鍔部５２の形成された軸線Ｏ方向上の位置を境に大径孔５６が後端まで形成されている。このように形成された主体金具５０の先端に接地電極４０が接合される。この接合は抵抗溶接によって行われ、溶接ダレを除去した後、接地電極４０と共に主体金具５０に亜鉛等のめっき処理が行われる。

絶縁碍子３０はアルミナや窒化アルミニウム等の絶縁セラミック粉末にバインダ等が混ぜられ、プレスによってその概形が形成され、砥石によって研削されて整形された後、焼成されることによって作製される。この絶縁碍子３０は略円筒形であり内部に軸孔３１が形成され、外表面の軸線Ｏ方向略中央には径方向外向きに突出した鍔状の中胴部３２が形成されている。この中胴部３２の先端側には先端向きの段部３３を有する先端側胴部３４が形成されている。一方、中胴部３２の後端側には略同一の外径を持つ後端側胴部３５が形成されている。なお、先端側胴部３４に形成された段部３３よりも先端側はスパークプラグ１００としての完成時には燃焼ガスに晒される脚長部３６を構成する。軸孔３１のうち、この脚長部３６の後端側には中心電極１０の鍔部１１を支持する支持段部３７が形成され、軸孔３１の内径は支持段部３７よりも先端側がその後端側よりも細く形成される。

絶縁碍子３０と中心電極１０、端子電極２０の組み付けについて説明する。絶縁碍子３０の軸孔３１へ中心電極１０をその先端が下方となるように挿入し、絶縁碍子３０の支持段部３７に中心電極１０の鍔部１１を係止させ、周知のようにガラス粉末と金属粉末とが混合調製されたガラスシール材やそれら原料粉末の混合比を変えて調製された抵抗材を充填する。充填したガラスシール材に軸状に形成された端子電極２０の脚部２１が埋設されるように絶縁碍子３０の後端から端子電極２０を挿入する。端子電極２０を挿入した状態で絶縁碍子３０を加熱炉へ投入し、所定の温度に加熱すると共に端子電極２０を押圧して所定の位置に位置決めする。この後、絶縁碍子３０は加熱炉から取り出されることによってガラスシール材、抵抗材が硬化し、それぞれがガラスシール５，５、抵抗体６となり、これらを介して中心電極１０と端子電極２０とが電気的に導通した状態で固着される。この工程は一般的にガラスシール工程と呼称される。なお、このガラスシール工程時に後端側胴部の外表面に形成する釉薬層の釉焼を同時に行ってもよい。

以上のように各部材は構成され、中心電極１０と端子電極２０とを備えた絶縁碍子３０と接地電極４０を備えた主体金具５０が、気密性向上のために板パッキン７、線パッキン８，８、タルク（滑石）９等を用いて周知の加締め工程によって加締め蓋６０を形成して、スパークプラグ１００は完成する。

さて、ここで本発明の要点である接地電極４０について図２を用いて詳細に説明する。図２は主体金具５０の先端面５８に接地電極４０が接合された状態を示したものである。なお、この接地電極４０には外側チップ４３が溶接されているが折り曲げる前の状態を示している。

この図２に示すとおり、接地電極４０は自身の延伸方向（紙面の表裏方向に対応する）にみたときに、その外周形状は、中心電極１０側（図面上側）が直線部４０１'としてなる平面４０１であり、その直線部４０１'の両端には曲率半径をｒとする略１／４円弧を描く内側弧状部４０２として形成されている。さらにこの両側の内側弧状部４０２の円弧の端点を連結するように曲率半径をＲ（＞ｒ）とする円弧を描く外側弧状部４０３が形成されている。この内側弧状部４０２、外側弧状部４０３がそれぞれ「第１弧状部」、「第２弧状部」に相当する。

この接地電極４０の厚さＤ_２は次のように決定される。接地電極４０は主体金具５０の先端面５８に接合されるため、その厚さは接地電極４０の先端面５８の厚さを超えないように設定される。例えばＭ１２の場合であると、主体金具５０の先端部の外径Ｃ１は１０．１ｍｍ、内径Ｃ２は７．３ｍｍ程度である。これらの数値は、前述の通り絶縁碍子３０の脚長部３６の肉厚や、脚長部３６と主体金具５０の先端における小径孔５４の内径Ｃ２との間隙を考慮して決定される。したがって、その径差の半分（Ｃ１−Ｃ２）／２が接地電極４０の厚さＤ_２としての最大値である。

次に接地電極４０の幅Ｄ_３について説明する。外側弧状部４０３の端点Ｐ１，Ｐ２をそれぞれ直線部４０１'の延長線ＶＥと交差するまで延長し仮想円弧ＶＡ_１，ＶＡ_２を描く。このときの交点をそれぞれＪ１，Ｊ２とし、Ｊ１，Ｊ２間距離をＤ_１（以下交点間距離Ｄ_１と称する）とする。なお、この交点間距離Ｄ_１は本実施例では外側弧状部４０３の曲率半径の２倍に相当するが、製造公差を加味すると２Ｒより僅かに大きい値も取りうる。もちろん、マージンを設定して２Ｒよりも小さくしてもよい。

内側弧状部４０２の曲率半径ｒは交点間距離Ｄ_１を基準に設定することができる。曲率半径ｒがＤ_１／９未満では小さすぎるため、外側弧状部４０３と内側弧状部４０２と境界である変曲点（図２における端点Ｐ１，Ｐ２に相当する）において燃焼室内の気流が乱れる要因となりうる。具体的には、特に接地電極４０の外側からの混合気の流れがこの変曲点において接地電極４０から剥離してしまい、中心電極１０側へ効率よくたどり着かなくなってしまう。そのため燃焼効率が悪化することが懸念される。一方、曲率半径ｒがＤ_１／５を超えると、外側チップ４３を接合するための平面４０１の幅（すなわち直線部４０１'の長さ）を十分に取ることができないため、接合強度の低下や熱引きの悪化が懸念される。また、外側弧状部４０３の曲率半径Ｒが小さくなってしまうため、丸接地電極同等の火炎成長性の効果を得ることができなくなってしまいかねない。このため、曲率半径ｒはＤ_１／９以上Ｄ_１／５以下となるようにしている。以上のように内側弧状部４０２の曲率半径ｒ、外側弧状部４０３の曲率半径Ｒの兼ね合いにより接地電極４０の幅Ｄ_３は決定される。

外側チップ４３の外径φｄは耐久性及び火炎成長性の関係から０．４ｍｍ以上０．８ｍｍ以下となるように設定される。この外径φｄを加味すると上記交点間距離Ｄ_１、内側弧状部４０２の曲率半径ｒそして外側チップ４３の外径φｄはＤ_１−２ｒ≧１．５ｄの関係を満たす。Ｄ_１−２ｒとは中心電極１０側の平面４０１の取りうる幅を意味しており、これが１．５ｄ未満となると外側チップ４３の接合強度が低下してしまう可能性があり、チップ脱落等の不具合を生じるおそれとなる。なお、このφｄは円柱状の貴金属チップの外径であるので、スパークプラグの完成後では外側チップ４３の先端（中心電極１０側）の外径に相当する。

以上のように決定される交点間距離Ｄ_１、接地電極４０の厚さＤ_２、幅Ｄ_３、曲率半径ｒ，Ｒは本実施例ではそれぞれ次の値を取っている。
Ｄ_１＝２．７ｍｍ
Ｄ_２＝１．３ｍｍ
Ｄ_３＝２．５ｍｍ
ｒ＝０．４ｍｍ
Ｒ＝１．３ｍｍ

以上説明したように、本発明は主体金具のねじ径がＭ１２以下であったり、先端面の肉厚が例えば１．０〜１．５ｍｍであるように、十分に無い場合であっても丸接地電極同等の火炎成長性を備えるとともに長寿命化を実現することができる。

なお、本発明はその主旨を逸脱しない範囲で各種変形が可能である。たとえば、上記実施例においては外側弧状部４０３の曲率半径Ｒは仮想円弧ＶＡ_１，ＶＡ_２を描いたときに内側の平面４０１の直線部４０１'の延長線ＶＥと交差して半径Ｒを有する半円となるように設定しているが、このように設定して接地電極４０を作製しても製造誤差が生じるため外側弧状部４０３の中点Ｍ（図３参照）には微少な平面が生じ得る。しかしながら、微少であれば燃焼効率への影響は殆ど無いと言える。また、外側弧状部４０３の曲率半径Ｒを中点Ｍに向かって大きくなるように変動させることによって燃焼効率を落とさずに接地電極の幅Ｄ_３を大きく取ることも可能である（図４参照）。なお、この構成としたときは１．８Ｄ_２≦Ｄ_１≦２．５Ｄ_２程度まで許容することができる。

また、本実施例においては接地電極４０には芯材を使用していないが、性能向上に特化させて作製する場合は周知のＣｕ芯等を使用すればよい。

さらに、着火した混合気である火炎の広がりを重視する場合は例えば図５に示すように直線部４０１'を径方向外向として、上記実施例において外側弧状部４０３と呼称する第２弧状部が中心電極１０を望み、第２弧状部の弧面状に外側チップ４３を接合する形態としてもよい。

本発明のスパークプラグ１００の全体図を示し、その一部断面図である。本発明の実施例を示す接地電極４０の延伸方向からみた図である。本発明の変形例を示す接地電極４０の延伸方向からみた図である。本発明の別の変形例を示す接地電極４０の延伸方向からみた図である。

符号の説明

４０接地電極
４３外側（貴金属）チップ
５０主体金具
５８（主体金具）の先端面
１００スパークプラグ
４０１（中心電極側）平面
４０２内側（第１）弧状部
４０３外側（第２）弧状部

Claims

軸線方向に延在する棒状の中心電極と、
軸孔を備え、自身の先端面から前記中心電極の先端を突出させた状態で前記軸孔に当該中心電極を保持する筒状の絶縁碍子と、
前記絶縁碍子を保持する主体金具と、
一端が前記主体金具の先端面に接合され、この一端から他端へ向かって伸びる接地電極と、
当該接地電極の前記中心電極を臨む内側面に接合される円柱状の貴金属チップと、
を備えたスパークプラグであって、
前記接地電極を自身の延伸方向の他端側からみたときに当該接地電極は、
前記内側面に前記接地電極の外郭線が直線部となる平面と、
曲率半径ｒを有し、前記直線部の端部を起点として自身の他端に向かって延びる前記直線部の両端側に位置する２つの第１弧状部と、
当該第１弧状部の前記他端同士を連結する曲率半径Ｒを有する第２弧状部と、
から形成され、
前記第１弧状部の曲率半径ｒ、前記第２弧状部の曲率半径Ｒは、ｒ＜Ｒの関係を満たし、
前記第２弧状部の外周縁を延長して形成される仮想円弧が前記直線部の仮想延長線と交わる２つの交点間距離をＤ _１としたときに、
前記第１弧状部の曲率半径ｒをＤ _１／９≦ｒ≦Ｄ _１／５とすることを特徴とするスパークプラグ。
前記接地電極は、前記貴金属チップの外径φｄを０．４ｍｍ≦ｄ≦０．８ｍｍとし、かつＤ _１−２ｒ≧１．５ｄとすることを特徴とする請求項1記載のスパークプラグ。