JP7695861B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明はスパークプラグに関する。

主体金具に接続された接地電極と、主体金具に絶縁保持された中心電極と、を備えるスパークプラグは、中心電極と接地電極との間の火花放電によって可燃混合気（流体）に点火し、火炎核を成長させる。火花放電は点火装置のコイルのエネルギーが消費されるまで続く。中心電極と接地電極とを結ぶ放電路は流体の流れに乗って下流へ伸ばされる。放電路が伸長すると電極間の電圧が上昇し、放電路の短絡や再放電が生じる。放電路の伸長、放電路の短絡、再放電などの放電挙動は燃焼に影響する。特許文献１や特許文献２には、接地電極によって流れを変化させ、放電路を変化させる先行技術が開示されている。

特開２０１６－１８４５５８号公報 特開２０１７－１４７０８６号公報

しかし先行技術には改善の余地がある。

本発明はこの要求に応えるためになされたものであり、下流へ伸長する放電路の形や長さを制御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軸線に沿って延びる筒状の主体金具と、主体金具に絶縁保持される中心電極と、主体金具に接続された一端部から他端部へ向けて延伸する接地電極と、を備え、他端部は、中心電極の先端面と間隔をあけて対向する。接地電極の延伸方向に垂直な平面で他端部を切断した断面において、他端部の外形線上の２点を結ぶ線分のうち最も長い線分の一端と他端によって外形線を第１線と第２線の２つに分けたときに、第１線および第２線の少なくとも一方は、線分に垂直な方向における外形線と線分との間の距離が、線分の一端から他端に向かうにつれて、外形線上の特定点までは次第に長くなり、特定点を境に次第に短くなる。特定点から線分に下した垂線と線分との交点は、線分の中点以外に存在する。

第１の態様によれば、接地電極の他端部の外形線上の一端に向かって流れる流体は、一端に近づくにつれて速度が低下し圧力は上昇する。流れは外形線上の一端と特定点との間の部分によって加速され圧力は徐々に減少する。特定点を過ぎた流れは外形線上の他端に向かうにつれて減速し圧力は徐々に上がる。接地電極の他端部によって他端部まわりの流れの速度や圧力分布を制御できるので、下流へ伸長する放電路の形や長さを制御できる。

第２の態様によれば、第１の態様において、他端部の外形線上の２点を結ぶ線分のうち最も長い線分は、軸線に垂直な平面に交わる。これにより他端部まわりの流れに与える影響を大きくできるので、放電路をより高度に制御できる。

第３の態様によれば、第１又は第２の態様において、他端部の外形線上の特定点と中心電極の先端面との間の距離は、特定点以外の外形線上の点と先端面との間の距離よりも短い。よって接地電極の放電点（放電路の起点）を特定点辺りに生じ易くし、中心電極の先端面と接地電極の他端部との間に火花が生じる放電電圧が高くならないようにできる。第１線の特定点辺りを起点とする放電路を、第１線を含む面によって制御できるので、簡易に放電路を制御できる。

第１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ＩＩ－ＩＩ線におけるスパークプラグの断面図である。 第２実施の形態におけるスパークプラグの断面図である。 第３実施の形態におけるスパークプラグの断面図である。 第４実施の形態における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２から図５においても同じ）。図１に示すようにスパークプラグ１０は、中心電極１３と接地電極１８とを備えている。中心電極１３は絶縁体１１に配置され、接地電極１８は、絶縁体１１に配置された主体金具１６に接続されている。

絶縁体１１は軸線Ｏに沿う軸孔１２を有する略円筒状の部材である。絶縁体１１は機械的特性や高温下の絶縁性に優れるアルミナ等のセラミックスにより形成されている。中心電極１３は軸孔１２に配置されている。中心電極１３は、導電性を有する棒状の金属製の部材である。中心電極１３は、例えばＮｉを主成分とする有底円筒状の母材が、銅を主成分とする芯材を覆っている。芯材を省略することは可能である。中心電極１３の先端面１４は軸孔１２の外に配置されている。

中心電極１３は、軸孔１２内で端子金具１５と電気的に接続されている。端子金具１５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１５は、先端側が軸孔１２に挿入された状態で、絶縁体１１の後端に固定されている。

主体金具１６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１６は絶縁体１１の先端側を取り囲み、絶縁体１１を内側に保持する。主体金具１６の外周面に、おねじ１７が形成されている。おねじ１７は、エンジン（図示せず）のねじ穴に螺合する部位である。

接地電極１８は、導電性を有する金属材料（例えばＮｉ基合金等）によって形成された棒状の部材である。接地電極１８は、主体金具１６に接続された一端部１９から他端部２０へ向けて延伸する。接地電極１８は、一端部１９と他端部２０との間の屈曲部２１を含む。接地電極１８は、一端部１９から屈曲部２１へ向かって軸線Ｏに沿って延び、屈曲部２１から他端部２０へ向かって軸線Ｏにほぼ垂直に延びている。接地電極１８の他端部２０は軸線Ｏに交わっている。他端部２０は、中心電極１３の先端面１４と間隔をあけて対向している。

図２は図１のＩＩ－ＩＩ線におけるスパークプラグ１０の軸線Ｏを含む断面図である。図２ではスパークプラグ１０のうち中心電極１３及び接地電極１８以外の図示は省略されている。図２の断面図は、接地電極１８の他端部２０の延伸方向に垂直な平面で他端部２０を切断したときに現れる他端部２０の外形線２２を含む部分が図示されている。外形線２２の形状は、いわゆる翼型、詳細には平底翼である。

線分２３は外形線２２上の２点を結ぶ線分のうち最も長い線分である。外形線２２は、線分２３の一端２４と他端２５とによって第１線２６と第２線２７の２つに分けられる。第１線２６は、中心電極１３の先端面１４に向かう凸の曲線である。第２線２７は、線分２３よりも先端側に位置する曲線であり、一端２４を端点とする曲線と他端２５を端点とする直線とがつながっている。外形線２２の形状は、第１線２６と第２線２７との間の、線分２３に垂直な方向における距離を確保できるので、他端部２０の機械的強度を高くできる。

他端２５における外形線２２の曲率は、一端２４における外形線２２の曲率よりも大きい。接地電極１８の耐熱性を確保する観点から、他端２５は、線分２３に垂直な方向における厚さが０．４ｍｍ以上あるのが好ましい。

線分２３に垂直な方向における中心線２８と第１線２６との間の距離は、線分２３に垂直な方向における中心線２８と第２線２７との間の距離に等しい。中心線２８は線分２３と第１線２６との間に位置する凸の曲線である。中心線２８の両端は線分２３の一端２４及び他端２５に一致する。

第１線２６は、線分２３に垂直な方向における線分２３と第１線２６との間の距離が、線分２３の一端２４から他端２５に向かうにつれて、一端２４から第１線２６上の特定点２９までは次第に長くなり、特定点２９を境に次第に短くなるように作られている。特定点２９から線分２３に下した垂線３０と線分２３との交点３１は、線分２３の中点３２以外の位置に存在する。

本実施形態では、線分２３は軸線Ｏに垂直な平面３３に交わる。すなわち平面３３と線分２３とのなす角θはθ≠０°である。また、第１線２６上の特定点２９と中心電極１３の先端面１４との間の距離は、特定点２９以外の外形線２２上の点と先端面１４との間の距離よりも短い。

スパークプラグ１０がエンジン（図示せず）に配置されると、エンジンの燃焼室に中心電極１３の先端面１４及び接地電極１８が露出する。スパークプラグ１０は、燃焼室内の流れの上流側に接地電極１８の一端２４を向け、下流側（排気バルブ側）に接地電極１８の他端２５を向けてエンジンに配置される。

点火装置（図示せず）のイグニッションコイルの二次電圧が上昇して中心電極１３と接地電極１８との間の絶縁が破れると、まず、二次回路に蓄えられた電気エネルギーによって中心電極１３と接地電極１８との間に火花（以下「容量火花」と称す）が発生する。次いで、イグニッションコイルの電磁エネルギーによって持続時間が長い火花（以下「誘導火花」と称す）が発生する。誘導火花の発生は、イグニッションコイルのエネルギーが消費されるまで続く。中心電極１３と接地電極１８とを結ぶ放電路は流体（可燃混合気）の流れに乗って伸長する。放電路が伸長すると中心電極１３と接地電極１８との間の電圧が上昇し、放電路の短絡や再放電とよばれる現象が生じる。

火花放電によって生じた火炎核は、中心電極１３の先端面１４と接地電極１８の他端部２０との間から成長したり、放電路の伸長によって電極間の下流から成長したりする。接地電極１８の他端部２０まわりの流れを制御し、流れに乗って伸長する放電路の形や長さを制御することにより、電極間の下流において火炎核が成長する位置を制御できるので、着火性の向上につながる。

エンジン（図示せず）内では、接地電極１８の他端部２０の外形線２２上の一端２４に向かう流れは、一端２４に近づくにつれて速度が減少し圧力が上昇する。一端２４において圧力が上昇した流体は、その圧力によって一端２４から第１線２６上の特定点２９に向かって加速され、圧力は徐々に下がる。この部分では第１線２６に沿って負の圧力勾配が生じる。負の圧力勾配は流れを助ける働きがある。

第１線２６上の特定点２９を過ぎた流体は、他端２５に向かうにつれて減速し圧力が次第に上昇する。この部分では第１線２６に沿って正の圧力勾配が生じる。正の圧力勾配は流れを妨げる働きがある。このように他端部２０まわりに圧力勾配が生じ、他端部２０まわりの流れの速度や圧力分布を制御できるので、流れに乗って引き伸ばされる放電路の形や長さを制御できる。よって他端部２０の下流において火炎核が成長する位置を制御できる。

接地電極１８のうち中心電極１３に距離が近い部分や突出した部分と中心電極１３との間に火花放電は生じ易い。他端部２０の第１線２６上の特定点２９と中心電極１３の先端面１４との間の距離は、特定点２９以外の外形線２２上の点と先端面１４との間の距離よりも短いので、接地電極１８の放電点（放電路の起点）は特定点２９辺りに生じ易い。よって中心電極１３の先端面１４と接地電極１８の他端部２０との間に容量火花が生じる放電電圧が高くならないようにできる。さらに他端部２０の特定点２９辺りを起点とする放電路を、他端部２０の第１線２６を含む凸面によって制御できるので、簡易に放電路を制御できる。

外形線２２において中心線２８は線分２３と第１線２６との間に位置するので、対称翼のように中心線２８が線分２３と一致する場合（中心線が直線の場合）に比べ、他端２５における流れの方向を変化させ易くなる。よって放電路をより高度に制御できる。

外形線２２の２点を結ぶ線分２３と平面３３とのなす角θはθ≠０°なので、線分２３と平面３３とが一致する場合に比べ、他端２５における流れの方向を変化させ易くなる。よって放電路をより高度に制御できる。角θによって他端２５における流れを大きく変化させることができるので、燃焼室内のタンブル流に乗って放電路が下流に流される場合には、燃焼室の中央へ向かって放電路を伸長させることができる。燃焼室の中央に近い位置で火炎核を成長させることができるので、着火性を向上できる。

線分２３と平面３３とのなす角θが大きくなるにつれて流れが剥離を起こし易くなり、他端２５における流れの速さが低下する傾向がみられる。下流に大きく伸長するように放電路を制御する場合には、中心線２８の反り具合にもよるが、例えばθ≦２０°が好適である。

図３を参照して第２実施の形態について説明する。第２実施形態では、中心電極１３に対向する接地電極４０の他端部４１の外形線４２の形状が、いわゆる対称翼の場合を説明する。第２実施形態において、第１実施形態で説明した部分と同一の部分は、同一の符号を付して以下の説明を省略する。

図３は第３実施形態におけるスパークプラグの軸線Ｏを含む断面図である。図３ではスパークプラグのうち中心電極１３及び接地電極４０以外の図示は省略されている。接地電極４０は、第１実施形態におけるスパークプラグ１０の接地電極１８に代えて、主体金具１６に接続される。図３の断面図は、接地電極４０の他端部４１の延伸方向に垂直な平面で他端部４１を切断したときに現れる他端部４１の外形線４２を含む部分が図示されている。

線分４３は外形線４２上の２点を結ぶ線分のうち最も長い線分である。外形線４２は、線分４３の一端４４と他端４５とによって第１線４６と第２線４７の２つに分けられる。第１線４６は、中心電極１３の先端面１４に向かう凸の曲線である。第２線４７は、先端側に膨らむ凸の曲線である。外形線４２は、線分４３に関して対称である。他端４５における外形線４２の曲率は、一端４４における外形線４２の曲率よりも大きい。

第１線４６は、線分４３に垂直な方向における線分４３と第１線４６との間の距離が、線分４３の一端４４から他端４５に向かうにつれて、一端４４から第１線４６上の特定点４８までは次第に長くなり、特定点４８を境に次第に短くなるように作られている。特定点４８から線分４３に下した垂線４９と線分４３との交点５０は、線分４３の中点５１以外の位置に存在する。本実施形態では、線分４３は軸線Ｏに垂直な平面３３に交わる。すなわち平面３３と線分４３とのなす角θはθ≠０°である。

第２実施形態におけるスパークプラグは、燃焼室内の流れの上流側に接地電極４０の一端４４を向け、下流側に接地電極４０の他端４５を向けてエンジンに配置される。第２実施形態におけるスパークプラグは、第１実施形態における第１線２６と第２線２７との間に位置する中心線２８の機能を除き、第１実施形態と同様の作用効果を実現できる。

図４を参照して第３実施の形態について説明する。第３実施形態では、中心電極１３に対向する接地電極６０の他端部６１の外形線６２の他端６５が反っている場合を説明する。第３実施形態において、第１実施形態で説明した部分と同一の部分は、同一の符号を付して以下の説明を省略する。

図４は第３実施形態におけるスパークプラグの軸線Ｏを含む断面図である。図４ではスパークプラグのうち中心電極１３及び接地電極６０以外の図示は省略されている。接地電極６０は、第１実施形態におけるスパークプラグ１０の接地電極１８に代えて、主体金具１６に接続される。図４の断面図は、接地電極６０の他端部６１の延伸方向に垂直な平面で他端部６１を切断したときに現れる他端部６１の外形線６２を含む部分が図示されている。外形線６２の形状は、いわゆる翼型である。

線分６３は外形線６２上の２点を結ぶ線分のうち最も長い線分である。外形線６２は、線分６３の一端６４と他端６５とによって第１線６６と第２線６７の２つに分けられる。第１線６６は、中心電極１３の先端面１４に向かう凸の曲線である。第２線６７は、第２線６７上の１点を境に凹凸が変化する曲線である。第２線６７は線分６３に交わる。他端６５における外形線６２の曲率は、一端６４における外形線６２の曲率よりも大きい。

線分６３に垂直な方向における中心線６８と第１線６６との間の距離は、線分６３に垂直な方向における中心線６８と第２線６７との間の距離に等しい。中心線６８は線分６３と第１線６６との間に位置する凸の曲線である。中心線６８の両端は線分６３の一端６４及び他端６５に一致する。

第１線６６は、線分６３に垂直な方向における線分６３と第１線６６との間の距離が、線分６３の一端６４から他端６５に向かうにつれて、一端６４から第１線６６上の特定点６９までは次第に長くなり、特定点６９を境に次第に短くなるように作られている。特定点６９から線分６３に下した垂線７０と線分６３との交点７１は、線分６３の中点７２以外の位置に存在する。

本実施形態では、線分６３は軸線Ｏに垂直な平面３３に交わる。すなわち平面３３と線分６３とのなす角θはθ≠０°である。また、第１線６６上の特定点６９と中心電極１３の先端面１４との間の距離は、特定点６９以外の外形線６２上の点と先端面１４との間の距離よりも短い。

第３実施形態におけるスパークプラグは、燃焼室内の流れの上流側に接地電極６０の一端６４を向け、下流側に接地電極６０の他端６５を向けてエンジンに配置される。これにより第１実施形態と同様の作用効果を実現できる。

図５を参照して第４実施の形態について説明する。第３実施形態では、中心電極１３の先端面１４に接地電極６０の他端部６１の第１線６６が対向する場合について説明した。第４実施形態では、中心電極１３の先端面１４に第２線６７が対向する場合について説明する。第４実施形態において、第１実施形態または第３実施形態で説明した部分と同一の部分は、同一の符号を付して以下の説明を省略する。

図５は第４実施形態におけるスパークプラグの軸線Ｏを含む断面図である。図５ではスパークプラグのうち中心電極１３及び接地電極８０以外の図示は省略されている。接地電極８０は、第１実施形態におけるスパークプラグ１０の接地電極１８に代えて、主体金具１６に接続される。図５の断面図は、接地電極８０の他端部８１の延伸方向に垂直な平面で他端部８１を切断したときに現れる他端部８１の外形線６２を含む部分が図示されている。

外形線６２の第１線６６は、先端側に向かう凸の曲線である。外形線６２の第２線６７は、中心電極１３の先端面１４に対向している。火花放電は、主に他端部８１のうち第２線６７を含む面と中心電極１３の先端面１４との間に生じる。

本実施形態では、線分６３は軸線Ｏに垂直な平面３３に交わる。すなわち平面３３と線分６３とのなす角θはθ≠０°である。第４実施形態におけるスパークプラグは、燃焼室内の流れの上流側に接地電極８０の一端６４を向け、下流側に接地電極８０の他端６５を向けてエンジンに配置される。

接地電極８０の他端部８１の外形線６２上の一端６４に向かう流れは、一端６４に近づくにつれて速度が減少し圧力が上昇する。一端６４において圧力が上昇した流体は、その圧力によって一端６４から第１線６６上の特定点６９に向かって加速され、圧力は徐々に下がる。第１線６６上の特定点６９を過ぎた流体は、他端６５に向かうにつれて減速し圧力が次第に上昇する。他端部８１まわりに圧力勾配が生じ、他端部８１まわりの流れの速度や圧力分布を制御できる。他端部８１の第２線６７を含む面と中心電極１３の先端面１４とを結ぶ放電路は、他端部８１まわりの流れに乗って形や長さを変えるので、放電路の形や長さを制御できる。

エンジン（図示せず）にスパークプラグが配置される位置やエンジン内に燃料を供給するインジェクターの位置などによっては、他端部８１の第１線６６を含む面を先端側に向ける方が、第２線６７を含む面を先端側に向けるより着火性を向上できる場合がある。第４実施形態におけるスパークプラグは、このような場合に有利である。

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。例えば接地電極１８，４０，６０，８０の他端部２０，４１，６１，８１の外形線２２，４２，６２の形状は一例であり適宜設定される。

実施形態では、軸線Ｏを含む平面で接地電極１８，４０，６０，８０の他端部２０，４１，６１，８１を切断したときに現れる外形線２２，４２，６２を説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。接地電極の他端部と軸線Ｏとがほぼ垂直に交わるのではなく、それらが斜めに交わるものでも良いし、軸線Ｏと接地電極の他端部とが交わらなくても良い。軸線Ｏと接地電極の他端部とが交わらない場合には、接地電極（特に他端部）の延伸方向に垂直な平面で他端部を切断したときに現れる外形線を特定する。

第１実施形態、第３実施形態および第４実施形態では、線分２３，６３が、軸線Ｏに垂直な平面３３に交わ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。平面３３に線分２３，６３が含まれるように接地電極１８，６０，８０を設けることは当然可能である。接地電極１８，６０，８０の中心線２８，６８は反っているので、平面３３に線分２３，６３が含まれる場合も、反った他端部２０，６１，８１によって他端部２０，６１，８１まわりの流れを制御できる。

第１実施形態では、他端部２０の第１線２６を含む面を中心電極１３の先端面１４に向ける場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。エンジン（図示せず）にスパークプラグ１０が配置される位置やエンジン内に燃料を供給するインジェクターの位置などに応じて、着火性が向上するように、他端部２０の第２線２７を含む面を中心電極１３の先端面１４に向けることは当然可能である。

実施形態では説明を省略したが、耐消耗性の向上のため、接地電極１８，４０，６０，８０の他端部２０，４１，６１，８１のうち放電点ができる部分に、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｒｈ等の貴金属やＷ、又は、貴金属やＷを主成分とする合金などで作られた放電部材を設けることは当然可能である。放電部材は、他端部２０，４１，６１，８１の外形線２２，４２，６２の形状に与える影響を少なくするため、例えば母材を覆う膜にしたり母材に埋め込んだりすることが好ましい。他端部２０，４１，６１，８１の全体を放電部材に置き換えても良い。

１０ スパークプラグ
１３ 中心電極
１４ 先端面
１６ 主体金具
１８，４０，６０，８０ 接地電極
１９ 一端部
２０，４１，６１，８１ 他端部
２２，４２，６２ 外形線
２３，４３，６３ 線分
２４，４４，６４ 一端
２５，４５，６５ 他端
２６，４６，６６ 第１線
２７，４７，６７ 第２線
２９，４８，６９ 特定点
３０，４９，７０ 垂線
３１，５０，７１ 交点
３２，５１，７２ 中点
３３ 平面
Ｏ 軸線

Claims (3)

1. 先端側から後端側へ軸線に沿って延びる筒状の主体金具と、
   前記主体金具に絶縁保持される中心電極と、
   前記主体金具に接続された一端部から他端部へ向けて延伸する接地電極と、を備え、
   前記他端部は、前記中心電極の先端面と間隔をあけて対向するスパークプラグであって、
   前記接地電極の延伸方向に垂直な平面で前記他端部を切断した断面において、
   前記他端部の外形線上の２点を結ぶ線分のうち最も長い線分の一端と他端によって前記外形線を第１線と第２線の２つに分けたときに、
   前記第１線および前記第２線の少なくとも一方は、前記線分に垂直な方向における前記外形線と前記線分との間の距離が、前記線分の前記一端から前記他端に向かうにつれて、前記外形線上の特定点までは次第に長くなり、前記特定点を境に次第に短くなる凸の曲線であり、
   前記特定点から前記線分に下した垂線と前記線分との交点は、前記線分の中点以外に存在し、前記軸線に垂直な平面と前記線分とのなす角θは０°≦θ≦２０°であるスパークプラグ。
2. 前記線分は、前記軸線に垂直な平面に交わる請求項１記載のスパークプラグ。
3. 前記接地電極の延伸方向に垂直な平面で前記他端部を切断した断面において、
   前記特定点と前記先端面との間の距離は、前記特定点以外の前記外形線上の点と前記先端面との間の距離よりも短い請求項１又は２に記載のスパークプラグ。

Images