JP6781141B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明はスパークプラグに関し、特に耐汚損性を向上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、筒状の主体金具に接合された接地電極と、軸線方向へ延びる筒状の絶縁体によって主体金具と隔てられた中心電極と、の間に火花放電を生じさせて内燃機関の燃焼室内の混合気に点火する。しかし、混合気の不完全燃焼等によって生じたカーボンが燃焼ガスにのって主体金具と絶縁体との間の隙間に侵入し、絶縁体の表面にカーボンが堆積して電極間の絶縁抵抗が低下し、要求電圧（火花放電が生じる電圧）よりも低い電圧でリークが生じると、火花放電が生じなくなる。絶縁体の汚損によるリークの発生を防ぐため、特許文献１には、主体金具と絶縁体との間の径方向の隙間を、軸線方向の中央の部分で最も拡大する技術が開示されている。

特開２０１６−１８４５７１号公報

しかしながら上記従来の技術では、隙間に侵入した燃焼ガスが、隙間が拡大された部分で滞留し易いため、燃焼ガスにのったカーボンが絶縁体の表面に堆積して汚損が生じることがある。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、耐汚損性を向上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、軸線に沿って先端側から後端側へと延びる軸孔が形成される絶縁体と、絶縁体から自身の先端を突出させて軸孔に配置される中心電極と、絶縁体の先端が自身の先端から突出するように絶縁体を外周側から保持する円筒状の主体金具と、主体金具に接続され中心電極との間に火花ギャップを形成する接地電極と、を備えている。主体金具は、径方向の内側へ向かって凸状に張り出す棚部を備え、絶縁体は、棚部の後端面に係止される係止部を備え、主体金具の先端と絶縁体との間の径方向の隙間の大きさをＬ_０とし、主体金具のうち棚部よりも先端側の部分と絶縁体との間の径方向の隙間のうち最も小さい部分の大きさをＬとすると、０．９Ｌ_０≦Ｌ≦Ｌ_０を満たす。

請求項１記載のスパークプラグによれば、主体金具のうち棚部よりも先端側の部分と絶縁体との間の径方向の隙間のうち最も小さい部分の大きさＬは、主体金具の先端と絶縁体との間の径方向の隙間の大きさをＬ_０とすると、０．９Ｌ_０≦Ｌ≦Ｌ_０を満たす。これにより、主体金具と絶縁体との隙間に侵入した燃焼ガスの掃気性を高めることができる。その結果、燃焼ガスに運ばれたカーボンが絶縁体の表面に堆積し難くできるので、耐汚損性を向上できる。

請求項２記載のスパークプラグによれば、主体金具の外周面に形成されたおねじの呼び径は１２ｍｍ以下である。おねじの呼び径が小さくなると主体金具と絶縁体との隙間の大きさＬも小さくなり、カーボンが絶縁体の表面に堆積することによる影響が大きくなる。よって、本発明の適用が特に効果的である。

本発明の一実施の形態におけるスパークプラグの片側断面図である。 図１の一部を拡大したスパークプラグの断面図である。

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を境にした片側断面図であり、図２は図１の一部を拡大したスパークプラグ１０の断面図である。図２では、軸線Ｏを境にした片側の図示が省略されている。図１及び図２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、絶縁体１１、中心電極３０、主体金具４０及び接地電極５４を備えている。

図１に示すように絶縁体１１は、高温下の絶縁性や機械的特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１１は、軸線Ｏに沿って軸孔が貫通する。軸孔を形成する絶縁体１１の内周面１２の先端側には、先端側に向かって縮径する後端向き面１３が形成されている。

絶縁体１１は、後端側から先端側へ順に、後端部１４、大径部１５、小径部１６及び先端部１７が連接されている。大径部１５は、絶縁体１１のうち外径が最も大きい部位である。小径部１６は、大径部１５よりも外径の小さい部位であり、小径部１６の先端側に、係止部１８（図２参照）を介して、小径部１６よりも外径の小さい先端部１７が隣接している。係止部１８は、先端側へ向かうにつれて縮径する。

絶縁体１１の先端部１７のうち、後端側の外周面１９は先端側に向かうにつれて縮径している。絶縁体１１の先端部１７のうち、外周面１９の先端側に隣接する外周面２０は、軸線Ｏ方向に亘って外径が一定である。

中心電極３０は、軸孔の先端側に挿入され軸線Ｏに沿って絶縁体１１に保持される棒状の電極である。中心電極３０は、軸線Ｏ方向に延びる軸部３１と、軸部３１に対して軸直角方向へ張り出す頭部３２と、が連接されている。頭部３２は後端向き面１３に係止されている。中心電極３０は、熱伝導性に優れる芯材が電極母材に埋設されている。電極母材は、Ｎｉを主体とする合金またはＮｉからなる金属材料で形成されており、芯材は銅または銅を主成分とする合金で形成されている。

端子金具３４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３４は先端側が絶縁体１１の軸孔に挿入される。端子金具３４は、導電性を有するガラスからなる導電性シール等によって、中心電極３０の頭部３２と電気的に接続されている。

主体金具４０は、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成された略円筒状の部材である。主体金具４０は、絶縁体１１の先端部１７から小径部１６までを取り囲む胴部４１と、胴部４１の後端側に連接される座部４３と、座部４３の後端側に連接される接続部４４と、接続部４４の後端側に連接される工具係合部４５と、工具係合部４５の後端側に連接される後端部４６と、を備えている。胴部４１は、内燃機関（図示せず）のねじ穴に螺合するおねじ４２が外周に形成されている。本実施の形態では、おねじ４２の呼び径は１２ｍｍ以下に設定される。

座部４３は、内燃機関（図示せず）のねじ穴とおねじ４２との隙間を塞ぐための部位であり、胴部４１の外径よりも外径が大きく形成されている。接続部４４は、主体金具４０を絶縁体１１に組み付けるときに湾曲状に塑性変形した部位である。工具係合部４５は、内燃機関のねじ穴におねじ４２を締め付けるときに、レンチ等の工具を係合させる部位である。後端部４６は径方向の内側へ向けて屈曲し、絶縁体１１の大径部１５よりも後端側に位置する。大径部１５と後端部４６との間に、タルク等の粉末を充填させたシール部５６が形成されている。

接地電極５４は、主体金具４０の胴部４１に接合された棒状の金属製（例えばニッケル基合金製）の部材である。本実施の形態では、接地電極５４は先端側が屈曲している。図２に示すように、接地電極５４は、中心電極３０の先端３３と火花ギャップ５５を介して対向する。中心電極３０の先端３３は、絶縁体１１の先端２１よりも先端側に位置する。

図２に示すように主体金具４０は、径方向の内側へ向かって凸状に張り出す棚部４７が、胴部４１に形成されている。棚部４７は、胴部４１の全周に亘って環状に連続する。棚部４７の後端面４８は、先端側に向かうにつれて縮径している。本実施の形態では、棚部４７の先端面４９は錐状に形成されており、先端側に向かうにつれて拡径している。棚部４７の後端面４８と絶縁体１１の係止部１８との間にパッキン５３が介在する。パッキン５３は、主体金具４０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。

主体金具４０の棚部４７から後端部４６（図１参照）までの部分は、パッキン５３やシール部５６を介して、絶縁体１１のうち小径部１６から大径部１５（図１参照）までの部分に、軸線Ｏ方向の圧縮荷重を加える。その結果、絶縁体１１の外周に主体金具４０が固定される。絶縁体１１の係止部１８は、全周に亘って、パッキン５３を介して棚部４７の後端面４８に係止される。棚部４７の後端面４８及び係止部１８にパッキン５３が密着して、パッキン５３が全周に亘って軸線Ｏ方向に圧縮される。これにより、棚部４７の後端面４８と係止部１８との間の気密を確保できる。

主体金具４０は、絶縁体１１の先端２１が、主体金具４０の先端５２から突出するように絶縁体１１を外周側から保持する。主体金具４０のうち棚部４７よりも先端側の部分は、自身の内径が、先端部１７の形状に応じて調整されている。具体的には、棚部４７よりも先端側の部分のうち、絶縁体１１の外周面１９と隙間２２を介して対向する内周面５０は、外周面１９の形状におおよそ沿うように、先端側に向かうにつれて縮径する。棚部４７よりも先端側の部分のうち、絶縁体１１の外周面２０と隙間２２を介して対向する内周面５１は、外周面２０の形状に沿って、軸線Ｏ方向に亘って内径が一定である。

スパークプラグ１０は、主体金具４０の先端５２と絶縁体１１との間の径方向の隙間２２の大きさ（軸線Ｏと垂直な方向の距離）をＬ_０とし、主体金具４０のうち棚部４７よりも先端側の部分の内周面５０，５１と絶縁体１１との間の隙間２２の大きさ（軸線Ｏと垂直な方向の距離）をＬとすると、０．９Ｌ_０≦Ｌ≦Ｌ_０を満たす。本実施の形態では、主体金具４０の内周面５１と絶縁体１１の外周面２０とが対向する部分では、隙間２２の大きさＬは、軸線Ｏ方向に亘って一定である。主体金具４０の内周面５０と絶縁体１１の外周面１９とが対向する部分では、隙間２２の大きさＬは、０．９Ｌ_０≦Ｌ≦Ｌ_０の範囲内で、後端側へ向かうにつれて次第に小さくなる。

なお、棚部４７は内周面５０の後端側から径方向の内側へ向かって張り出しているので、棚部４７（先端面４９を含む）と絶縁体１１との間の隙間２２の大きさは、Ｌに比べて小さい。また、主体金具４０の先端５２と絶縁体１１との間のリークを防ぐため、Ｌ_０は火花ギャップ５５の大きさＧに比べて大きい。

スパークプラグ１０が、内燃機関（図示せず）のねじ穴に主体金具４０のおねじ４２を締結して内燃機関に取り付けられると、絶縁体１１のうち係止部１８よりも先端側の先端部１７の外周面１９，２０は、燃焼室内の燃焼ガスに曝される。混合気の不完全燃焼等によって生じたカーボンは、燃焼ガスの気流にのって隙間２２に侵入する。隙間２２は０．９Ｌ_０≦Ｌ≦Ｌ_０を満たす大きさなので、隙間２２に侵入した燃焼ガスの掃気性を高めることができる。よって、燃焼ガスにのったカーボンを絶縁体１１の先端部１７の外周面１９，２０に堆積させ難くできる。よって、耐汚損性を向上できる。

さらに、主体金具４０の内周面５０と絶縁体１１の外周面１９とが対向する部分では、隙間２２の大きさＬは、０．９Ｌ_０≦Ｌ≦Ｌ_０の範囲内で、後端側へ向かうにつれて次第に小さくなるので、隙間２２の後端側へ向かうにつれて、燃焼ガスの流速が速くなるようにできる。よって、絶縁体１１の係止部１８に近い部分に、燃焼ガスにのったカーボンを堆積させ難くできる。その結果、絶縁体１１の係止部１８に近い部分（先端５２側に比べて隙間２２の狭い部分）で生じるリークを抑制できる。

また、主体金具４０に形成されたおねじ４２の呼び径は１２ｍｍ以下なので、主体金具４０を小径化しつつ隙間２２の大きさＬを確保し、耐汚損性を向上できる。

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。

スパークプラグ１０の絶縁体１１の先端部１７の外周面１９，２０における外径、主体金具４０の内周面５０，５１における内径を調整して、主体金具４０の先端５２と絶縁体１１との間の径方向の隙間２２の大きさＬ_０、主体金具４０のうち棚部４７よりも先端側の部分の内周面５０，５１と絶縁体１１との間の隙間２２のうち最も狭い部分の大きさＬ_ｍｉｎ、及び、火花ギャップ５５の大きさＧが異なる種々のサンプル１〜１０を作成した。サンプル１〜１０のＬ_０（単位：ｍｍ）、Ｌ_ｍｉｎ（単位：ｍｍ）、Ｌ_ｍｉｎ／Ｌ_０、Ｇ（単位：ｍｍ）を表１に示した。

なお、サンプル１〜１０は主体金具４０のおねじ４２の呼び径を１２ｍｍとし、Ｇ／Ｌ_０＝０．７０とした。また、サンプル１〜１０は、Ｌ_０，Ｌ_ｍｉｎ，Ｇ以外の要素（例えば各部材の材質や形状、寸法など）は一定にした。

サンプル１〜３は、Ｌ_０を１．３５ｍｍ、Ｇを０．９５ｍｍとし、Ｌ_ｍｉｎを１．２０ｍｍ，１．２５ｍｍ，１．３０ｍｍのいずれかにした。これにより、サンプル１〜３は、Ｌ_ｍｉｎ／Ｌ_０を０．８９〜０．９６に設定した。

サンプル４〜６は、Ｌ_０を１．５７ｍｍ、Ｇを１．１０ｍｍとし、Ｌ_ｍｉｎを１．４０ｍｍ，１．４５ｍｍ，１．５０ｍｍのいずれかにした。これにより、サンプル４〜６は、Ｌ_ｍｉｎ／Ｌ_０を０．８９〜０．９６に設定した。

サンプル７〜１０は、Ｌ_０を１．６５ｍｍ、Ｇを１．１５ｍｍとし、Ｌ_ｍｉｎを１．４５ｍｍ，１．５０ｍｍ，１．５５ｍｍ，１．６０ｍｍのいずれかにした。これにより、サンプル７〜１０は、Ｌ_ｍｉｎ／Ｌ_０を０．８８〜０．９７に設定した。

排気量１．５Ｌの４気筒エンジンをもつ試験用自動車（図示せず）の燃焼室に各サンプルの中心電極３０及び接地電極５４が突出するように、各サンプルをシリンダヘッドに取り付けた。エンジンコントロールユニット（図示せず）を用いて回路に点火指令信号を出力し、各サンプルの中心電極３０と接地電極５４との間に電圧を印加した。各サンプルに印加する電圧は一定にした。

これにより、中心電極３０と接地電極５４との間に火花放電を生じさせ、燃焼室内の混合気に着火した。正常な火花放電のときに回路に現れる正常な電流波形とは異なる異常な電流波形が検出されたときに、絶縁体１１の汚損によるリークが発生したと判断した。以下に示す試験運転の間、常に電流波形を測定した。

試験運転は、１０℃の低温試験室内のシャシダイナモメータの上に置いた試験用自動車を用いて行った。試験運転は、第１運転とこれに続く第２運転とを１サイクルとし、これを１０サイクル繰り返すものであった。第１運転では、エンジン始動直後の３回の空吹かしの後、３速段で４０秒間の前進走行（３５ｋｍ／ｈ）を行い、９０秒間のアイドリングの後、再び３速段で４０秒間の前進走行（３５ｋｍ／ｈ）を行った後、エンジンを停止し、エンジンの冷却水の温度が１０℃になるまで放置した。

第２運転では、エンジン始動直後の３回の空吹かしの後、１速段で１５秒間の前進走行（１５ｋｍ／ｈ）を行い、３０秒間エンジンを停止した後、再び１速段で１５秒間の前進走行（１５ｋｍ／ｈ）を行い、３０秒間エンジンを停止した後、みたび１速段で１５秒間の前進走行（１５ｋｍ／ｈ）を行った後、エンジンを停止し、エンジンの冷却水の温度が１０℃になるまで放置した。

この試験運転は、低速運転の時間が長く、さらに気温も低いので、絶縁体１１の先端部１７の表面にカーボンが付着し易い（くすぶり汚損が生じ易い）運転条件である。この試験運転の間、連続して測定された電流波形において、異常な電流波形が１０回以上検出されたサンプルは「耐汚損性が低い（×）」と評価し、異常な電流波形の検出が９回以下のサンプルは「耐汚損性が高い（〇）」と評価した。

その結果、表１に示すようにサンプル１，２，４，５，７〜９は耐汚損性が高く、サンプル３，６，１０は耐汚損性が低いと評価された。耐汚損性が高いと評価されたサンプルはＬ_ｍｉｎ／Ｌ_０≧０．９を満たし、耐汚損性が低いと評価されたサンプルはＬ_ｍｉｎ／Ｌ_０の値が０．９未満であった。説明は省略したが、Ｇ／Ｌ_０＝０．７０以外のサンプルにおいてもこの傾向はみられた。本実施例によれば、０．９Ｌ_０≦Ｌ≦Ｌ_０を満たすことより、耐汚損性を向上できることが明らかになった。

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。

実施の形態では、棚部４７の先端面４９が錐状（円錐面）に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。例えば、先端面４９を、先端側へ向かうにつれて拡径する凹面状や凸面状（球帯状）にすることは当然可能である。また、先端面４９を、軸線Ｏと垂直な平面状にすることは当然可能である。

実施の形態では、絶縁体１１の先端部１７が、先端側へ向かうにつれて縮径する外周面１９と、外径が一定の外周面２０と、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。外周面２０を省略して、縮径する外周面１９を絶縁体１１の先端２１まで延長することは当然可能である。先端部１７の外周面１９を先端２１まで延長した場合には、０．９Ｌ_０≦Ｌ≦Ｌ_０を満たすように、主体金具４０の形状を整える。例えば、先端部１７の外周面２０に対向する主体金具４０の内周面５１を省略して、主体金具４０の内周面５０を主体金具４０の先端５２まで延長する。

反対に、先端部１７の縮径した外周面１９を省略して、円筒状の外周面２０を後端側の係止部１８まで延長することは当然可能である。先端部１７の外周面２０を係止部１８まで延長した場合には、０．９Ｌ_０≦Ｌ≦Ｌ_０を満たすように、主体金具４０の形状を整える。例えば、先端部１７の外周面１９に対向する主体金具４０の内周面５０を省略して、主体金具４０の内周面５１を棚部４７まで延長する。

実施の形態では、主体金具４０の内周面５０と絶縁体１１の外周面１９とが対向する部分では、隙間２２の大きさＬが、後端側へ向かうにつれて次第に小さくな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。０．９Ｌ_０≦Ｌ≦Ｌ_０の範囲内であれば、隙間２２の大きさＬが、後端側へ向かうにつれて次第に大きくなるように、又は、後端側へ向かうにつれて大きくなる部分と小さくなる部分とが存在するように、主体金具４０及び絶縁体１１の形状を設定することは当然可能である。０．９Ｌ_０≦Ｌ≦Ｌ_０の範囲内であれば、隙間２２の大きさＬが、後端側へ向かうにつれて次第に大きくなるように、又は、後端側へ向かうにつれて大きくなる部分と小さくなる部分とが存在するようにしても、燃焼ガスの著しい滞留が生じないからである。

実施の形態では、パッキン５３を介して主体金具４０の棚部４７に絶縁体１１を係止す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。パッキン５３を省略して、主体金具４０の棚部４７に絶縁体１１を係止することは当然可能である。

実施の形態では説明を省略したが、耐火花消耗性を向上させるため、貴金属を含有するチップを中心電極３０や接地電極５４に設けることは当然可能である。

実施の形態では、主体金具４０に接合された接地電極５４を屈曲させ、接地電極５４と中心電極３０とが軸線Ｏ方向に対向する場合（火花ギャップ５５が軸線Ｏ方向に形成される場合）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。例えば、中心電極３０の側面と接地電極５４とを軸線Ｏと交差する方向に対向させること（軸線Ｏと垂直な方向に火花ギャップを形成すること）は当然可能である。また、屈曲した接地電極５４を用いる代わりに、直線状の接地電極５４を用いることは当然可能である。

実施の形態では、主体金具４０に接地電極５４が１本接合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。接地電極を複数本、主体金具４０に接合することは当然可能である。

１０ スパークプラグ
１１ 絶縁体
１８ 係止部
２１ 絶縁体の先端
２２ 隙間
３０ 中心電極
３３ 中心電極の先端
４０ 主体金具
４２ おねじ
４７ 棚部
４８ 後端面
５２ 主体金具の先端
５４ 接地電極
５５ 火花ギャップ
Ｌ_０，Ｌ 隙間の大きさ
Ｏ 軸線

Claims (2)

1. 軸線に沿って先端側から後端側へと延びる軸孔が形成される絶縁体と、
   前記絶縁体から自身の先端を突出させて前記軸孔に配置される中心電極と、
   前記絶縁体の先端が自身の先端から突出するように前記絶縁体を外周側から保持する円筒状の主体金具と、
   前記主体金具に接続され前記中心電極との間に火花ギャップを形成する接地電極と、を備えるスパークプラグであって、
   前記主体金具は、径方向の内側へ向かって凸状に張り出す棚部と、
   前記棚部よりも先端側の部分に、第１の内周面と、前記第１の内周面の先端側に隣接する第２の内周面と、を備え、
   前記絶縁体は、前記棚部の後端面に係止される係止部と、
   前記棚部よりも先端側の部分に、第１の外周面と、前記第１の外周面の先端側に隣接する第２の外周面と、を備え、
   前記第１の外周面は先端側に向かうにつれて縮径し、前記第２の外周面は軸線方向に亘って外径が一定であり、
   前記第１の内周面は、前記第１の外周面に沿うように先端側に向かうにつれて縮径し、前記第２の内周面は軸線方向に亘って内径が一定であり、
   前記主体金具の前記先端と前記絶縁体との間の径方向の隙間の大きさをＬ_０とし、前記主体金具のうち前記棚部よりも先端側の部分と前記絶縁体との間の径方向の隙間のうち最も小さい部分の大きさをＬとすると、０．９Ｌ_０≦Ｌ≦Ｌ_０を満たすスパークプラグ。
2. 前記主体金具は自身の外周面におねじが形成され、
   前記おねじの呼び径は１２ｍｍ以下である請求項１記載のスパークプラグ。

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