JP5910604B2 - 内燃機関用スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用スパークプラグに関する。

自動車等の内燃機関には、着火手段としてスパークプラグが用いられている。スパークプラグは、中心電極を内側に挿通保持する絶縁碍子と、絶縁碍子の先端側を内側に挿通保持するハウジングと、ハウジングに接合されて中心電極との間に火花放電ギャップを形成する接地電極とを有している。
スパークプラグにおいては、点火コイルから高電圧を印加することにより、中心電極と接地電極との間において、火花放電ギャップの絶縁を破壊し放電火花を発生させる。

このようなスパークプラグとしては、特許文献１に示されたものがある。特許文献１のスパークプラグは、熱伝導性に優れた材料によって形成された芯材と、芯材の先端側を被覆する被覆層とを備えた中心電極とを有している。

特開２００６−１５６１１０号公報

しかしながら、特許文献１に示されたスパークプラグには以下の課題がある。
特許文献１のスパークプラグにおいて、中心電極が加熱されると、芯材が軸方向に熱膨張する。このとき、中心電極の基端側は固定されているため、中心電極の先端が接地電極側に移動することとなる。そのため、中心電極と接地電極との間における火花放電ギャップが小さくなり、スパークプラグの着火性能が低下する。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、中心電極の膨張を抑制し、着火性能の低下を防止することができる内燃機関用スパークプラグを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、中心電極と、
該中心電極を内側に挿通保持する絶縁碍子と、
該絶縁碍子の基端側の一部を露出させつつ、該絶縁碍子を内側に挿通保持するハウジングと、
該ハウジングに接合されて上記中心電極との間に火花放電ギャップを形成する接地電極とを有しており、
上記中心電極は、棒状に形成された芯材と、該芯材の表面を覆う被覆層とを有しており、
上記芯材は、上記被覆層よりも熱伝導率が大きい材料によって形成された大径部と、該大径部よりも外形が小さく上記大径部から先端側に向かって延びる小径部と、上記大径部と上記小径部とを繋ぐように形成された繋ぎ部とを有しており、
上記被覆層は、上記芯材よりも線膨張率が小さい材料によって形成され、上記芯材における上記繋ぎ部の一部から上記小径部の先端までの間を覆っており、
上記大径部の表面全体は上記被覆層に覆われることなく露出しており、
上記繋ぎ部の表面は、一部が上記被覆層により覆われ、他の一部が上記被覆層から露出しており、
上記大径部は、軸方向から見たとき径方向外側に向かって膨らむ複数の大円弧と各大円弧の間に配された径方向内側に向かって膨らむ複数の小円弧とを組み合わせて形成された外形形状を有していることを特徴とする内燃機関用スパークプラグにある。
本発明の他の態様は、中心電極と、
該中心電極を内側に挿通保持する絶縁碍子と、
該絶縁碍子の基端側の一部を露出させつつ、該絶縁碍子を内側に挿通保持するハウジングと、
該ハウジングに接合されて上記中心電極との間に火花放電ギャップを形成する接地電極とを有しており、
上記中心電極は、棒状に形成された芯材と、該芯材の表面を覆う被覆層とを有しており、
上記芯材は、上記被覆層よりも熱伝導率が大きい材料によって形成された大径部と、該大径部よりも外形が小さく上記大径部から先端側に向かって延びる小径部と、上記大径部と上記小径部とを繋ぐように形成された繋ぎ部とを有しており、
上記被覆層は、上記芯材よりも線膨張率が小さい材料によって形成され、上記芯材における上記繋ぎ部の一部から上記小径部の先端までの間を覆っており、
上記大径部の表面全体は上記被覆層に覆われることなく露出しており、
上記繋ぎ部の表面は、一部が上記被覆層により覆われ、他の一部が上記被覆層から露出しており、
上記繋ぎ部に形成された上記被覆層は、周方向において複数、断続的に形成されていることを特徴とする内燃機関用スパークプラグにある。

上記内燃機関用スパークプラグ（以下、適宜スパークプラグと記す）においては、上記芯材よりも線膨張率が小さい材料によって形成された上記被覆層が、上記芯材における上記繋ぎ部の少なくとも一部から上記小径部の先端までの間を覆うように形成されている。上記芯材の上記小径部は、上記スパークプラグの先端側に配されており、高温に加熱されるため熱膨張しやすい。また、上記繋ぎ部から上記大径部へと基端側に向かうにつれて低温となることから、上記繋ぎ部及び上記大径部においては、上記小径部に比べて熱膨張しにくくなる。

上記被覆層は、上記芯材の材料に比べて線膨張率の小さい材料によって形成されており、上記芯材の上記小径部における熱膨張量に比べて、上記被覆層の熱膨張量は小さい。そのため、上記小径部及び上記繋ぎ部は、周囲に形成された上記被覆層によって固定され、熱膨張が抑制される。これにより、上記中心電極における軸方向への熱膨張を抑制し、火花放電ギャップの変動を抑制することができる。それゆえ、上記スパークプラグにおける着火性能の低下を抑制することができる。

また、上記スパークプラグにおいては、上記大径部の表面は上記被覆層に覆われることなく露出している。このように、上記被覆層よりも熱伝導率が大きい材料によって形成された上記芯材の露出量を増大させることにより、上記芯材における放熱性を向上することができる。これにより、上記芯材の熱を、上記絶縁碍子を介して効率よく放熱することができる。それゆえ、上記中心電極の温度上昇を抑制し、熱膨張を抑制することができる。

以上のごとく、上記内燃機関用スパークプラグによれば、中心電極の膨張を抑制し、着火性能の低下を防止することができる。

参考例における、内燃機関用スパークプラグの断面図 図１の部分拡大断面図 参考例における、中心電極の断面図。 確認試験１の結果を示すグラフ。 確認試験２の結果を示すグラフ。 実施例１における、中心電極の断面図。 図６における、Ｖ矢視図。 実施例２における、中心電極の説明図（図６における、Ｖ矢視図相当図）。 中心電極における、大径部の形状例を示す断面図。

上記スパークプラグにおいて、上記被覆層は、上記繋ぎ部の表面積における３０％以上に形成されていることが好ましい。この場合には、上記中心電極における軸方向への熱膨張量をより抑制することができる。

（参考例）
上記内燃機関用スパークプラグにかかる参考例について、図１〜図３を参照して説明する。
図１〜図３に示すごとく、スパークプラグ１は、中心電極２と、中心電極２を内側に挿通保持する絶縁碍子５と、絶縁碍子５の基端側の一部を露出させつつ、絶縁碍子５を内側に挿通保持するハウジング６と、ハウジング６に接合されて中心電極２との間に火花放電ギャップＧを形成する接地電極６１とを有している。
中心電極２は、棒状に形成された芯材３１と、芯材３１の表面を覆う被覆層３２とを有している。

芯材３１は、被覆層３２よりも熱伝導率が大きい材料によって形成された大径部３１１と、大径部３１１よりも外形が小さく大径部３１１から先端側に向かって延びる小径部３１２と、大径部３１１と小径部３１２とを繋ぐように形成された繋ぎ部３１３とを有している。
被覆層３２は、芯材３１よりも線膨張率が小さい材料によって形成され、芯材３１における繋ぎ部３１３の少なくとも一部から小径部３１２の先端までの間を覆うと共に、大径部３１１の表面は被覆層３２に覆われることなく露出している。

以下、さらに詳細に説明する。
本例のスパークプラグ１は、内燃機関において、混合気の着火をするためのものである。軸方向において、スパークプラグ１の一端は、点火コイル（図示略）と接続され、反対側の他端は、内燃機関の燃焼室（図示略）内に配される。尚、本例においては、軸方向における点火コイルと接続される側を基端側とし、燃焼室内に配される側を先端側として説明する。

図１及び図２に示すごとく、スパークプラグ１は、筒状の絶縁碍子５と、絶縁碍子５を内側に保持する筒状のハウジング６と、先端部が突出するように絶縁碍子５の内側に保持された中心電極２と、中心電極２の基端側に配されたステム８と、ハウジング６と接続された接地電極６１とを備えている。

ハウジング６は、略円筒形状に形成されており、その内側に絶縁碍子５を挿通保持している。ハウジング６の外周側面には、内燃機関のシリンダヘッド（図示略）と螺号するためのネジ山が形成されておりハウジング６の先端面には、接地電極６１が配されている。

接地電極６１は、ハウジング６の先端面の一部から、先端側に延びる延設部６１１と、延設部６１１の先端から径方向内側に向かって、軸方向と直角に屈曲した対向部６１２とを有している。対向部６１２と中心電極２との間には、火花放電ギャップＧが形成されている。
図１及び図２に示すごとく、絶縁碍子５は、アルミナを略円筒形状に形成してなり、その内側に中心電極２とステム８とを保持するように形成されている。

絶縁碍子５の内側には、点火コイルと接続されるステム８と、ステム８の先端側に接続された中心電極２とが挿通配置されている。
ステム８は、絶縁碍子５の内側に挿通保持されるステム本体８１と、ステム本体８１の基端側において絶縁碍子５から露出し点火コイルと接続されたターミナル８２とを有している。

図１〜図３に示すごとく、ステム８と接続された中心電極２は、電極母材３と、電極母材３の先端に接合された放電チップ４とを有している。電極母材３は、円柱状の芯材３１と、芯材３１を覆う被覆層３２とを有している。
芯材３１は、被覆層３２の材料よりも熱伝導率の大きい材料である銅合金によって形成されている。芯材３１は、基端側に形成された円柱状の大径部３１１と、軸方向から見た際の直径が大径部３１１よりも小さい円柱状の小径部３１２と、大径部３１１と小径部３１２とを繋ぐように形成された円錐台状の繋ぎ部３１３とを有している。小径部３１２は、基端側に形成された円柱状の小径円筒部３１６と、小径円筒部の先端において軸方向と直交する方向から見たとき先端側に向かって円弧状に縮径した縮径部３１４とを有している。

被覆層３２は、芯材３１よりも線膨張係数の小さい材料であるニッケル合金からなり、芯材３１における小径部３１２及び繋ぎ部３１３の表面全面を覆うように形成されている。被覆層３２は、小径部３１２及び繋ぎ部３１３の表面には一定の厚さで形成されている。また、縮径部３１４の外周には、先端側に向かって外形が段階的に縮径するように被覆層３２が形成されている。

芯材３１における大径部３１１には、被覆層３２が形成されておらず露出している。本例においては、大径部３１１は円柱状をなしているため、軸方向から見た外形とその外接円とは同一である。また、大径部３１１の外周側面３１５における面積Ｓ１と外接円の面積Ｓ２とが、Ｓ１＝３Ｓ２となるように、大径部３１１の軸方向寸法を設定してある。

放電チップ４は、絶縁碍子５の先端から露出するように配されており、電極母材３に溶接されている。放電チップ４の材料には、イリジウム、白金、ロジウム等の貴金属又はその合金等が用いられる。なお、放電チップ４は、必ずしも貴金属である必要がなく、例えば、タングステン、レニウム、タンタル、ニオブ又はその合金からなる高融点の材料であってもよい。

次に、本例の作用効果について説明する。
内燃機関用スパークプラグ１において、被覆層３２は、芯材３１の材料に比べて線膨張率の小さい材料によって形成されており、加熱時における芯材３１の小径部３１２の熱膨張量に比べて、被覆層３２の熱膨張量は小さい。そのため、小径部３１２及び繋ぎ部３１３は、周囲に形成された被覆層３２によって固定され、熱膨張が抑制される。これにより、中心電極２における軸方向への熱膨張を抑制し、火花放電ギャップＧの変動を抑制することができる。それゆえ、スパークプラグ１における着火性能の低下を抑制することができる。

また、内燃機関用スパークプラグ１においては、大径部３１１の表面は被覆層３２に覆われることなく露出している。このように、被覆層３２よりも熱伝導率が大きい材料によって形成された芯材３１の露出量を増大させることにより、芯材３１における放熱性を向上することができる。これにより、芯材３１の熱を、絶縁碍子５を介して外部へと放熱することができる。それゆえ、中心電極２の温度上昇を抑制し、熱膨張を抑制することができる。

また、スパークプラグ１において、被覆層３２は、繋ぎ部３１３の表面積における３０％以上に形成されている。そのため、中心電極２における軸方向への熱膨張量をより抑制することができる。

また、大径部３１１における外周側面の面積Ｓ１と、軸方向から見たときの大径部３１１の外形に対する外接円の面積Ｓ２とは、Ｓ１≧１．５Ｓ２の関係を有している。そのため、中心電極２における放熱性をより向上することができる。

以上のごとく、本例の内燃機関用スパークプラグ１によれば、中心電極２の膨張を抑制し、着火性能の低下を防止することができる。

（確認試験１）
本確認試験においては、芯材３１の繋ぎ部３１３に形成される被覆層３２の面積を変化させることによる中心電極２の軸方向における膨張量を確認した。
本確認試験に用いた試験試料の形状は、参考例における図３に示したものと同様である。具体的には、大径部３１１の直径Ｄ１＝φ２．８ｍｍ、小径部３１２の直径Ｄ２＝φ１．９ｍｍ、被覆層３２における最小膜厚ｔを０．２ｍｍ、繋ぎ部３１３の先端から中心電極２先端までの長さ寸法Ｌ１＝１９．０ｍｍ、とした。また、繋ぎ部３１３に形成された被覆層３２の外形形状は、円形をなしており、被覆層３２の形成面積の増減は、その外径を変化させることにより行った。試験片のその他の部位における形状は参考例に示したスパークプラグ１と同様である。

図４は、縦軸を加熱時における火花放電ギャップＧの変化量（ｍｍ）とし、横軸を繋ぎ部３１３における被覆率（％）としたグラフを示すものである。尚、被覆率は、繋ぎ部３１３における表面積Ａ１に対する繋ぎ部３１３を覆う被覆層３２の面積Ａ２の割合を示すものである。
図４に示すごとく、上記被覆率を３０％以上とした場合、火花放電ギャップＧの変化量を大幅に低減できることが明らかとなった。したがって、被覆層３２を、繋ぎ部３１３の表面積における３０％以上に形成することにより、スパークプラグ１における火花放電ギャップＧの変化量を効果的に抑制することができる。

（確認試験２）
本確認試験においては、大径部３１１における外周側面の露出面積を変化させるによる中心電極２の放熱性への影響を確認した。
本確認試験に用いた試験試料の形状は、確認試験１と同様に図３に示したものと同様である。尚、大径部３１１における外周側面の露出面積変更は、大径部３１１の軸方向長さＬ２を変更することにより行った。

図５は、縦軸をクランクシャフトの上死点前角度（ＢＴＤＣ°ＣＡ）とし、横軸を露出面積比（Ｓ１／Ｓ２）としたグラフを示すものである。
放熱性への影響の評価は、プレイグニションの発生時におけるクランクシャフトの上死点前角度（ＢＴＤＣ°ＣＡ）を測定することにより行った。上死点前角度が大きいほど、燃焼温度が上昇し、中心電極２が多くの熱量を受けることとなる。したがって、プレイグニッションが発生する上死点前角度が大きいほど、中心電極２における放熱性が優れている。
また、露出面積比は、外周側面の面積Ｓ１に対する、軸方向から見たときの大径部３１１の外形に対する外接円の面積Ｓ２の割合を示すものである。

図５に示すごとく、露出面積比（Ｓ１／Ｓ２）が１．５以上から、上死点前角度が増大することが明らかとなった。つまり、Ｓ１≧１．５Ｓ２の関係を満たすことにより、中心電極２における放熱性向上効果を確実に得ることができる。

（実施例１）
本例は、図６及び図７に示すごとく、参考例における内燃機関用スパークプラグ１の形状を一部変更したものである。
本例のスパークプラグ１において、中心電極２を構成する芯材３１の大径部３１１は、軸方向から見たとき径方向外側に向かって膨らむ３つの大円弧３１６と各大円弧３１６の間に配された径方向内側に向かって膨らむ３つの小円弧３１７を組み合わせて形成された外形形状を有している。
また、繋ぎ部３１３に形成された被覆層３２は、芯材３１における繋ぎ部３１３の表面積における５０％に環状に形成されている。
尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、参考例において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、参考例と同様の構成要素等を表す。
本例においても、参考例と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例２）
本例は、図８に示すごとく、参考例における内燃機関用スパークプラグ１の形状を一部変更したものである。
本例のスパークプラグ１において、繋ぎ部３１３に形成された被覆層３２は、芯材３１における繋ぎ部３１３の周方向において複数、断続的に形成に形成されている。
尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、参考例において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、参考例と同様の構成要素等を表す。
本例においても、参考例と同様の作用効果を得ることができる。

尚、上記の参考例、実施例１、実施例２に示したスパークプラグ１の大径部３１１は、軸方向の全長において同一の断面形状として形成したが、これに限定されるものではない。例えば、図９に示すごとく、大径部３１１の外周側面が部分的に窪んだ形状としてもよいし、断面の外形が縮小又は拡大していてもよい。この場合にも、上記実施例１及び実施例２と同様の作用効果を得ることができる。

１ スパークプラグ
２ 中心電極
３１ 芯材
３１１ 大径部
３１２ 小径部
３１３ 繋ぎ部
３２ 被覆層
５ 絶縁碍子
６ ハウジング
６１ 接地電極

Claims (4)

1. 中心電極（２）と、
   該中心電極（２）を内側に挿通保持する絶縁碍子（５）と、
   該絶縁碍子（５）の基端側の一部を露出させつつ、該絶縁碍子（５）を内側に挿通保持するハウジング（６）と、
   該ハウジング（６）に接合されて上記中心電極（２）との間に火花放電ギャップを形成する接地電極（６１）とを有しており、
   上記中心電極（２）は、棒状に形成された芯材（３１）と、該芯材（３１）の表面を覆う被覆層（３２）とを有しており、
   上記芯材（３１）は、上記被覆層（３２）よりも熱伝導率が大きい材料によって形成された大径部（３１１）と、該大径部（３１１）よりも外形が小さく上記大径部（３１１）から先端側に向かって延びる小径部（３１２）と、上記大径部（３１１）と上記小径部（３１２）とを繋ぐように形成された繋ぎ部（３１３）とを有しており、
   上記被覆層（３２）は、上記芯材（３１）よりも線膨張率が小さい材料によって形成され、上記芯材（３１）における上記繋ぎ部（３１３）の一部から上記小径部（３１２）の先端までの間を覆っており、
   上記大径部（３１１）の表面全体は上記被覆層（３２）に覆われることなく露出しており、
   上記繋ぎ部（３１３）の表面は、一部が上記被覆層（３２）により覆われ、他の一部が上記被覆層（３２）から露出しており、
   上記大径部（３１１）は、軸方向から見たとき径方向外側に向かって膨らむ複数の大円弧（３１６）と各大円弧（３１６）の間に配された径方向内側に向かって膨らむ複数の小円弧（３１７）とを組み合わせて形成された外形形状を有していることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ（１）。
2. 中心電極（２）と、
   該中心電極（２）を内側に挿通保持する絶縁碍子（５）と、
   該絶縁碍子（５）の基端側の一部を露出させつつ、該絶縁碍子（５）を内側に挿通保持するハウジング（６）と、
   該ハウジング（６）に接合されて上記中心電極（２）との間に火花放電ギャップを形成する接地電極（６１）とを有しており、
   上記中心電極（２）は、棒状に形成された芯材（３１）と、該芯材（３１）の表面を覆う被覆層（３２）とを有しており、
   上記芯材（３１）は、上記被覆層（３２）よりも熱伝導率が大きい材料によって形成された大径部（３１１）と、該大径部（３１１）よりも外形が小さく上記大径部（３１１）から先端側に向かって延びる小径部（３１２）と、上記大径部（３１１）と上記小径部（３１２）とを繋ぐように形成された繋ぎ部（３１３）とを有しており、
   上記被覆層（３２）は、上記芯材（３１）よりも線膨張率が小さい材料によって形成され、上記芯材（３１）における上記繋ぎ部（３１３）の一部から上記小径部（３１２）の先端までの間を覆っており、
   上記大径部（３１１）の表面全体は上記被覆層（３２）に覆われることなく露出しており、
   上記繋ぎ部（３１３）の表面は、一部が上記被覆層（３２）により覆われ、他の一部が上記被覆層（３２）から露出しており、
   上記繋ぎ部（３１３）に形成された上記被覆層（３２）は、周方向において複数、断続的に形成されていることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ（１）。
3. 上記被覆層（３２）は、上記繋ぎ部（３１３）の表面積における３０％以上に形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の内燃機関用スパークプラグ（１）。
4. 上記大径部（３１１）における外周側面の面積Ｓ１と、上記軸方向から見たときの上記大径部（３１１）の外形に対する外接円の面積Ｓ２とは、Ｓ１≧１．５Ｓ２の関係を有していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関用スパークプラグ（１）。

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