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技術 スパークプラグ

出願人 日本特殊陶業株式会社
発明者 福澤怜門九鬼宏昭
出願日 2014年6月27日 (6年4ヶ月経過) 出願番号 2014-132192
公開日 2016年1月21日 (4年9ヶ月経過) 公開番号 2016-012410
状態 特許登録済
技術分野 スパークプラグ 内燃機関の点火装置
主要キーワード 低温試験室 酸化変質 吸気方式 両リング部材 取付ねじ孔 水冷チャンバ セラミック抵抗 テーパ形
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年1月21日)のものです。
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図面 (13)

課題

耐電圧性の向上と、中心電極酸化の抑制と、横飛火の抑制とを同時に達成すること。

解決手段

スパークプラグは、軸線に沿って延びる軸孔を有する絶縁体と、軸孔内に挿入された中心電極とを備える。絶縁体は、第1円柱部と、1円柱部の先端側に形成され、先端側に向かって外径縮小する円錐台形状部と、円錐台形状部の先端側に形成された第2円柱部とを備える。中心電極の直径Cは2.2mm以下である。円錐台形状部の体積および第2円柱部の体積の合計I、軸線方向における円錐台形状部の後端位置から第2円柱部の先端位置までの中心電極の体積E、並びに、直径Cが、I/E≧4.2333C2−19.79C+24.869を満たす。

概要

背景

一般的なスパークプラグは、主体金具と、中心電極と、絶縁体とを備える。絶縁体の形状として、後端側から順に、第1円柱部と、円錐台形状部と、第1円柱部よりも外径が小さい第2円柱部とを備えたものが知られている。第1円柱部とは、主体金具の内部に形成された円柱状の部位である。円錐台形状部とは、第1円柱部の先端側に形成され、先端側に向かって外径が縮小する部位である。第2円柱部とは、円錐台形状部の先端側に形成された部位であり、少なくとも一部が主体金具の先端面から突き出た部位である。第1円柱部、円錐台形状部、及び第2円柱部は何れも中空であり、その空間に中心電極が配置される(例えば特許文献1)。

一方で、近年、エンジン圧縮比が高くなる傾向があり、スパークプラグに対して、正規放電位置ギャップ)で放電させるための電圧要求電圧)が高くなっている。要求電圧が高くなると、耐電圧性の要求が厳しくなると共に、横飛火(絶縁体と主体金具との間の放電)が発生しやすくなる。横飛火は、特に、主体金具の先端面付近において発生しやすい。

概要

耐電圧性の向上と、中心電極の酸化の抑制と、横飛火の抑制とを同時に達成すること。スパークプラグは、軸線に沿って延びる軸孔を有する絶縁体と、軸孔内に挿入された中心電極とを備える。絶縁体は、第1円柱部と、1円柱部の先端側に形成され、先端側に向かって外径が縮小する円錐台形状部と、円錐台形状部の先端側に形成された第2円柱部とを備える。中心電極の直径Cは2.2mm以下である。円錐台形状部の体積および第2円柱部の体積の合計I、軸線方向における円錐台形状部の後端位置から第2円柱部の先端位置までの中心電極の体積E、並びに、直径Cが、I/E≧4.2333C2−19.79C+24.869を満たす。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

軸線に沿って延びる軸孔を有する絶縁体と、前記軸孔内に挿入された中心電極と、前記絶縁体の外周に配置され、径方向内側に盛り上がった部が内周に形成された主体金具と、前記主体金具の先端に配置された接地電極と、を備え、前記絶縁体は、前記棚部の少なくとも一部に対向する位置に形成された第1円柱部と、前記第1円柱部の先端側に形成され、先端側に向かって外径縮小する円錐台形状部と、前記円錐台形状部の先端側に形成された第2円柱部とを備えたスパークプラグであって、前記軸線方向について前記棚部に対向する位置において、前記中心電極の直径Cは2.2mm以下であり、前記円錐台形状部の体積および前記第2円柱部の体積の合計I、前記軸線方向における前記円錐台形状部の後端位置から前記第2円柱部の先端位置までの前記中心電極の体積E、並びに、前記直径Cが次式を満たすことI/E≧4.2333C2−19.79C+24.869を特徴とするスパークプラグ。

請求項2

前記合計Iと、前記体積Eと、前記直径Cとが次式を満たすことI/E≧6.1333C2−27.18C+32.301を特徴とする請求項1に記載のスパークプラグ。

請求項3

前記第1円柱部の前記軸線方向における先端位置は、前記棚部の前記第1円柱部に対向する面の前記軸線方向における先端位置よりも、先端側にあることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のスパークプラグ。

請求項4

前記第2円柱部の前記軸線方向における後端位置は、前記主体金具の先端面の位置よりも1.5mm以上、後端側であることを特徴とする請求項1から請求項3までの何れか一項に記載のスパークプラグ。

請求項5

前記第2円柱部の前記軸線方向の長さは、4mm以上であり、前記軸線を含む断面において、前記円錐台形状部の先端側直線と、前記第2円柱部を延長した直線と、前記絶縁体の外径線とで囲まれた肉盛り部の面積は、片側で0.02mm2以上であることを特徴とする請求項1から請求項4までの何れか一項に記載のスパークプラグ。

請求項6

前記主体金具の外周には、雄ねじが形成され、前記雄ねじの呼び径は、M14であることを特徴とする請求項1から請求項5までの何れか一項に記載のスパークプラグ。

請求項7

圧縮比9.5以上の過給機付きエンジンと、圧縮比11以上の自然吸気エンジンとの少なくとも何れかに用いられることを特徴とする請求項1から請求項6までの何れか一項に記載のスパークプラグ。

技術分野

0001

本発明は、スパークプラグに関する。

背景技術

0002

一般的なスパークプラグは、主体金具と、中心電極と、絶縁体とを備える。絶縁体の形状として、後端側から順に、第1円柱部と、円錐台形状部と、第1円柱部よりも外径が小さい第2円柱部とを備えたものが知られている。第1円柱部とは、主体金具の内部に形成された円柱状の部位である。円錐台形状部とは、第1円柱部の先端側に形成され、先端側に向かって外径が縮小する部位である。第2円柱部とは、円錐台形状部の先端側に形成された部位であり、少なくとも一部が主体金具の先端面から突き出た部位である。第1円柱部、円錐台形状部、及び第2円柱部は何れも中空であり、その空間に中心電極が配置される(例えば特許文献1)。

0003

一方で、近年、エンジン圧縮比が高くなる傾向があり、スパークプラグに対して、正規放電位置ギャップ)で放電させるための電圧要求電圧)が高くなっている。要求電圧が高くなると、耐電圧性の要求が厳しくなると共に、横飛火(絶縁体と主体金具との間の放電)が発生しやすくなる。横飛火は、特に、主体金具の先端面付近において発生しやすい。

先行技術

0004

特開2005−183177号公報

発明が解決しようとする課題

0005

スパークプラグ全体のサイズを大きくせずに、耐横飛火性や耐電圧性を向上させるには、中心電極の径を細くすることが有効である。しかし、中心電極の径が細くなると、中心電極の熱容量が小さくなるため、中心電極の温度が上昇しやすくなり、中心電極の酸化が促進されてしまう。よって、従来、中心電極の径を細くすることは難しかった。

0006

横飛火を抑制する別の手法として、主体金具の先端面付近において、主体金具の内周から絶縁体の外周を、径方向にできるだけ離すというものがある。この手法は、絶縁体の外径を細くすることで実現できる。

0007

しかし、絶縁体の外径を細くしつつ、絶縁体の厚みを確保しようとすると、絶縁体の内部に配置された中心電極を細くすることになり、上記の問題を引き起こす。一方で、絶縁体を薄くすると、絶縁体の熱容量が小さくなり、中心電極の温度が上昇しやすくなる。この結果、中心電極の酸化が促進されてしまう。

0008

従来、上記のようなジレンマがあるため、耐電圧性の向上と、中心電極の酸化の抑制と、横飛火の抑制とを同時に達成することは、困難であった。

課題を解決するための手段

0009

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。

0010

(1)本発明の一形態によれば、軸線に沿って延びる軸孔を有する絶縁体と;前記軸孔内に挿入された中心電極と;前記絶縁体の外周に配置され、径方向内側に盛り上がった部が内周に形成された主体金具と;前記主体金具の先端に配置された接地電極と、を備え;前記絶縁体は;前記棚部の少なくとも一部に対向する位置に形成された第1円柱部と;前記第1円柱部の先端側に形成され、先端側に向かって外径が縮小する円錐台形状部と;前記円錐台形状部の先端側に形成された第2円柱部とを備えたスパークプラグが提供される。このスパークプラグは;前記軸線方向について前記棚部に対向する位置において、前記中心電極の直径Cは2.2mm以下であり;前記円錐台形状部の体積および前記第2円柱部の体積の合計I、前記軸線方向における前記円錐台形状部の後端位置から前記第2円柱部の先端位置までの前記中心電極の体積E、並びに、前記直径CがI/E≧4.2333C2−19.79C+24.869を満たすこと特徴とする。

0011

この形態によれば、耐電圧性の向上と、横飛火の抑制と、中心電極の酸化の抑制とを同時に達成できる。耐電圧性が向上する理由は、中心電極の径が細いので(2.2mm以下)、第1円柱部の厚みが確保しやすいからである。横飛火と中心電極の酸化とが抑制されるのは、上記I/Eが適切な範囲に設定されているからである。つまり、中心電極の径が細い場合において、上記I/Eが適切に設定されることによって、主体金具から絶縁体までの距離と、絶縁体の熱容量とのバランスが適切なものになり、横飛火と中心電極の酸化とが抑制される。

0012

(2)上記形態において、前記合計Iと、前記体積Eと、前記直径Cとが次式を満たすことI/E≧6.1333C2−27.18C+32.301を特徴とする。この形態によれば、中心電極の酸化が更に抑制される。

0013

(3)上記形態において、前記第1円柱部の前記軸線方向における先端位置は、前記棚部の前記第1円柱部に対向する面の前記軸線方向における先端位置よりも、先端側にあることを特徴とする。この形態によれば、対向面の先端位置において、絶縁体の耐電圧性が向上する。軸線方向について対向面と円錐台形状部との位置がずれており、対向面に対向する位置における絶縁体の厚さが確保されるからである。

0014

(4)上記形態において、前記第2円柱部の前記軸線方向における後端位置は、前記主体金具の先端面の位置よりも1.5mm以上、後端側であることを特徴とする。この形態によれば、横飛火が更に抑制される。この形態の場合、第2円柱部と円錐台形状部との境界が、主体金具の先端面の位置よりも1.5mm以上、後端側に位置する。燃焼室内の燃焼に伴う絶縁体の汚損は、絶縁体の外径が太い方が発生しやすいので、上記境界付近や、上記境界よりも後端側で発生しやすい。汚損が発生した部位では、横飛火が誘発される。そこで、この形態のように、汚損が発生しやすい部位と、もともと横飛火が発生しやすい主体金具の先端面とを1.5mm以上、離せば、横飛火が更に抑制される。

0015

(5)上記形態において、前記第2円柱部の前記軸線方向の長さは、4mm以上であり;前記軸線を含む断面において、前記円錐台形状部の先端側直線と、前記第2円柱部を延長した直線と、前記絶縁体の外径線とで囲まれた肉盛り部の面積は、片側で0.02mm2以上であることを特徴とする。この形態によれば、第2円柱部が長くても(4mm以上)、絶縁体の折損が抑制される。高圧縮比のエンジンの場合、燃焼室で高圧が発生する現象が知られている。このような高圧が発生した場合、第2円柱部に大きな力が掛かり、第2円柱部と円錐台形状部との境界で折損が生じやすくなる。よって、この折損は、第2円柱部が長い方が、より発生しやすい。そこで、この形態のような断面積を有する肉盛り部を設ければ、境界が補強され、上記効果を得ることができる。

0016

(6)上記形態において、前記主体金具の外周には、雄ねじが形成され;前記雄ねじの呼び径は、M14であることを特徴とする。この形態によれば、雄ねじの呼び径がM14という、中心電極の酸化に厳しい条件でも、中心電極の酸化を抑制できる。中心電極の径が細く、且つ雄ねじの呼び径がM14であると、絶縁体の外周と主体金具の内周との間の空間の体積が大きくなる。この空間の体積が大きくなると、この空間内のガスの熱容量が大きくなる。この結果、中心電極の温度が上昇しやすくなり、ひいては中心電極の酸化が促進される。しかし、この形態によれば、上記I/Eが適切に設定されているので、中心電極の酸化を抑制できる。

0017

(7)上記形態において、圧縮比9.5以上の過給機付きエンジンと、圧縮比11以上の自然吸気エンジンとの少なくとも何れかに用いられることを特徴とする。この形態によれば、圧縮比9.5以上の過給機付きエンジンと、圧縮比11以上の自然吸気エンジンとの何れかに用いられる場合に、上記効果を得ることができる。

0018

本発明は、装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、スパークプラグの製造方法等の形態で実現することができる。

図面の簡単な説明

0019

スパークプラグを示す部分断面図。
スパークプラグの先端近傍の断面図。
範囲Kの拡大図。
中心電極の評価試験を示すテーブル(中心電極がφ1.7mmの場合)。
中心電極の評価試験を示すテーブル(中心電極がφ1.9mmの場合)。
中心電極の評価試験を示すテーブル(中心電極がφ2.2mmの場合)。
中心電極の評価試験に関するグラフ
耐汚損性についての試験結果を示すテーブル。
耐折損性についての試験結果を示すテーブル。
絶縁性についての試験結果を示すテーブル。
中心電極の評価試験に関するグラフ。
中心電極の評価試験に関するグラフ。

実施例

0020

図1は、スパークプラグ100を示す部分断面図である。以下では、図1に示す軸線方向ODを、図面における上下方向と定義し、下側をスパークプラグの先端側、上側を後端側と定義して説明する。図1は、軸線Oの右側にスパークプラグ100の外観を示し、軸線Oの左側にスパークプラグ100の断面を示す。

0021

スパークプラグ100は、ガソリンエンジンエンジンヘッド200に取り付けられる装置であり、先端の電極間において火花放電を生じさせることによって、燃焼室内における混合気点火する。

0022

スパークプラグ100は、絶縁碍子10と、中心電極20と、接地電極30と、端子金具40と、主体金具50とを備えている。絶縁碍子10は、絶縁体として機能する部材であり、軸線Oに沿って延びる軸孔12を有している。中心電極20は、軸線Oに沿って延びる棒状の電極であり、絶縁碍子10の軸孔12内に挿入された状態で保持されている。主体金具50は、絶縁碍子10の外周を囲む筒状の部材であり、絶縁碍子10を内部に固定している。

0023

接地電極30は、一端が主体金具50の先端に固定され、他端が中心電極20と対向する電極である。端子金具40は、給電を受けるための端子であり、中心電極20に電気的に接続されている。スパークプラグ100がエンジンヘッド200に取り付けられた状態で、端子金具40とエンジンヘッド200との間に高電圧印加されると、中心電極20と接地電極30との間に火花放電が生じる。以下、各部材の詳細について説明する。

0024

絶縁碍子10は、セラミックによって形成された筒状の絶縁体であり、軸線方向ODに延びる軸孔12が軸線Oに沿って形成されている。本実施形態では、絶縁碍子10は、アルミナ焼成することによって形成されている。絶縁碍子10の軸線方向ODの略中央には、外径が最も大きな鍔部19が形成されており、鍔部19より後端側には、後端側胴部18が形成されている。鍔部19より先端側には、後端側胴部18よりも外径の小さな先端側胴部17が形成されている。先端側胴部17よりもさらに先端側には、第1円柱部13と、円錐台形状部14と、第2円柱部15とが形成されている。円錐台形状部14の外径は、先端側に近づくに連れて小さくなっている。スパークプラグ100がエンジンヘッド200に取り付けられた状態において、円錐台形状部14及び第2円柱部15は、燃焼室内のガスに曝される。第1円柱部13と先端側胴部17との間には、外周側段部16が形成されている。

0025

中心電極20は、絶縁碍子10の軸孔12内に配置され、後端側から先端側に向かって延びた棒状の部材である。中心電極20の先端は、絶縁碍子10の先端側において露出している。中心電極20の先端には、電極チップ29が設けられている。電極チップ29は、白金合金又はイリジウム合金等により形成され、溶接によって電極母材21の先端に結合している。中心電極20は、径方向に突出した中心電極鍔部25を備える。

0026

中心電極20は、電極母材21の内部に、芯材22が埋設された構造を有している。電極母材21は、インコネル600(INCONELは登録商標)等のニッケル合金によって形成されている。芯材22は、電極母材21よりも高い熱伝導率を有する金属によって形成されている。具体的には、銅を主体とする合金と、銅との何れかによって形成されている。

0027

絶縁碍子10の軸孔12内のうち、中心電極20の後端側には、シール体4及びセラミック抵抗3が設けられている。中心電極20は、シール体4及びセラミック抵抗3を介して、端子金具40に電気的に接続されている。

0028

主体金具50は、低炭素鋼材によって形成された筒状の金具であり、絶縁碍子10を内部に保持している。低炭素鋼材とは、例えば、S17CやS25Cである。絶縁碍子10の後端側胴部18の一部から第2円柱部15の一部にかけての部位は、主体金具50によって囲まれている。

0029

主体金具50の外周には、工具係合部51と、ねじ部52とが形成されている。工具係合部51は、スパークプラグレンチ(図示せず)が嵌合する部位である。主体金具50のねじ部52は、ねじ山が形成された部位であり、エンジンヘッド200の取付ねじ孔201に螺合する。スパークプラグ100は、主体金具50のねじ部52をエンジンヘッド200の取付ねじ孔201に螺合させて締め付けることによって、エンジンヘッド200に固定される。なお、本実施形態のねじ部52の呼び径は、M14である。

0030

主体金具50の工具係合部51とねじ部52との間には、径方向外側に突き出たフランジ状の鍔部54が形成されている。ねじ部52と鍔部54との間のねじ首59には、環状のガスケット5が嵌挿されている。ガスケット5は、板体を折り曲げることによって形成されており、スパークプラグ100がエンジンヘッド200に取り付けられた際には、鍔部54の座面55と取付ねじ孔201の開口周縁部205との間で押し潰されて変形する。ガスケット5の変形によって、スパークプラグ100とエンジンヘッド200との隙間が封止され、取付ねじ孔201を介した燃焼ガス漏出が抑制される。

0031

主体金具50の工具係合部51よりも後端側には、薄肉加締部53が形成されている。鍔部54と工具係合部51との間には、薄肉の座屈部58が形成されている。主体金具50の工具係合部51から加締部53にかけての内周面と、絶縁碍子10の後端側胴部18の外周面との間には、円環状のリング部材6,7が挿入されている。さらに両リング部材6,7の間には、タルク滑石)9の粉末充填されている。スパークプラグ100の製造工程において、加締部53が内側に折り曲げられて加締められると、座屈部58は、圧縮力の付加に伴って外向きに座屈変形するとともに、主体金具50と絶縁碍子10とが固定される。タルク9は、加締め工程の際に圧縮され、主体金具50と絶縁碍子10との間の気密性が高められる。

0032

図1に示された接地電極30は、主体金具50の先端に接合された電極であり、耐腐食性の優れた合金によって形成されていることが好ましい。本実施形態における接地電極30は、ニッケルと、ニッケルを主成分とする合金(例えばインコネル600やインコネル601等)との何れかによって形成されている。接地電極30と主体金具50との接合は、例えば、溶接によって実現される。接地電極30の先端部33は、中心電極20の先端と対向している。

0033

端子金具40には、プラグキャップ(図示せず)を介して高圧ケーブル(図示せず)が接続される。先述したように、端子金具40とエンジンヘッド200との間に高電圧が印加されると、接地電極30と中心電極20との間に火花放電が生じる。

0034

図2は、スパークプラグ100の先端近傍の断面を拡大して示す。主体金具50の内周には、径方向内側に突出した棚部57が形成されている。棚部57と、絶縁碍子10の外周側段部16との間には、環状の板パッキン8が設けられている。主体金具50と絶縁碍子10との間の気密性は、板パッキン8によっても確保され、燃焼ガスの漏出が抑制される。

0035

図2に示すように、絶縁碍子10は、第1円柱部13と、円錐台形状部14と、第2円柱部15とを備える。第1円柱部13は、棚部57の少なくとも一部に対向する位置に配置される部位である。本実施形態における第1円柱部13は、棚部57の全体に対向する。円錐台形状部14は、第1円柱部13の先端側に形成される。第2円柱部15は、円錐台形状部14よりも先端側に形成される。第1円柱部13、円錐台形状部14、及び第2円柱部15は、絶縁碍子10の他の部位と共に、一体形成される。

0036

第1円柱部13及び第2円柱部15は、中空の円柱形状、つまり円筒形状である。円錐台形状部14は、中空の円錐台形状である。第2円柱部15の外径は、第1円柱部13の外径よりも小さい。円錐台形状部14の外径は、先端側に向かって縮小する。第2円柱部15の先端は、図2にR1として示されているように、丸みを帯びた形状になっている。つまり、第2円柱部15の先端にはRが設けられている。

0037

図3は、図2に示された範囲Kの拡大図である。図3に示すように、絶縁碍子10は、肉盛り部60を備える。本実施形態では、肉盛り部60を、円錐台形状部14及び第2円柱部15とは別の部位と見なす。肉盛り部60は、軸線Oを含む断面において、円錐台形状部14の先端側の直線と、第2円柱部15を延長した直線と、絶縁碍子10の外径線とで囲まれた部位である。本実施形態では、肉盛り部60は、R形状(断面が円弧形状)を有する。なお、肉盛り部60は、円錐台形状部14及び第2円柱部15と一体形成される。

0038

図3に示すように、円錐台形状部14と第2円柱部15との境界は、円錐台形状部14の先端側直線と、第2円柱部15を延長した直線との交点を通り、軸線Oと直交する線分によって定められる。

0039

以下、図2に示した寸法について説明する。φCは、中心電極鍔部25(図1)よりも先端側における中心電極20の外径である。なお、本実施形態における中心電極20は、図2に示されたように、第2円柱部15と対向する部位において、先端に向かって縮径するテーパ形状を有する。φCは、このテーパ形状よりも後端側における外径を指す。このテーパ形状及び上記テーパ形状よりも先端側は、絶縁碍子10の先端付近堆積したカーボン等を、絶縁碍子10と中心電極20との間の微小放電によって燃焼させ、除去するために設けられている。

0040

上記テーパ形状よりも先端側の外径は、図2に示すようにφCtである。上記φCtとテーパ形状との境界の軸線方向ODの位置は、絶縁碍子10の先端面と同じか、絶縁碍子10の先端面よりも後端側に3mmまでの範囲に収まっていることが好ましい。つまり、図2に示された長さwが、0mm以上3mm以下であることが好ましい。以下、特にことわりなく位置といえば、軸線方向ODの位置を意味するものとする。

0041

φHは、絶縁碍子10の内径であり、1mm以上3mm以下が好ましい。先述したφCは、(φH−0.2mm)以上(φH−0.03mm)以下であることが好ましい。φZ1は、第1円柱部13の外径である。φZ2は、第2円柱部15の外径である。ねじ部52の呼び径がM14の場合、φZ1は6mm以上8mm以下が好ましく、φZ2は3mm以上6mm以下が好ましい。ねじ部52の呼び径がM12の場合、φZ1は5mm以上7mm以下が好ましく、φZ2は3mm以上5mm以下が好ましい。ねじ部52の呼び径がM10の場合、φZ1は4mm以上6mm以下が好ましく、φZ2は3mm以上4mm以下が好ましい。

0042

長さLは、第1円柱部13の後端から第2円柱部15の先端までの長さであって、軸線方向ODについての長さであり、3mm以上20mm以下が好ましい。以下、特にことわりなく長さといえば、軸線方向ODについての長さのことを意味する。長さz1は、第1円柱部13の長さであり、1mm以上4mm以下が好ましい。長さz2は、第2円柱部15の長さであり、1.5mm以上9mm以下が好ましい。なお、円錐台形状部14の長さは、長さL−長さz1−長さz2である。

0043

長さgは、第2円柱部15の後端から、主体金具50の先端面までの長さである。長さgは、0mm以上6mm以下が好ましい。更に好ましい値は後述する(図8)。

0044

芯材22の先端位置は、所定範囲に収まっていると、中心電極20の放熱にとって好ましい。この所定範囲とは、絶縁碍子10の先端位置を基準にして、先端側に2mmまで、後端側にも2mmまでの範囲である。本実施形態における芯材22の先端位置は、図2に示すように絶縁碍子10の先端位置に等しいので、上記の所定範囲に収まっている。

0045

以下、スパークプラグ100のサンプルを対象に実施した複数種類の評価試験について説明する。各評価試験について、評価試験ごとに着目する寸法を変化させた複数のサンプルを用意した。

0046

上記複数の評価試験の一つとして、中心電極20の耐酸化性の評価試験について説明する。この評価試験において変化させた寸法は、φC,φH,φZ1,φZ2,長さL,長さz1,長さz2である。

0047

図4図5図6は、先述した中心電極20の評価試験の結果をテーブルで示す。図4はφC=1.7mmの場合、図5はφC=1.9mmの場合、図6はφC=2.2mmの場合を示す。なお、φHは、何れのサンプルにおいてもφCに0.06mmを加算した値であるので、図4図5図6での図示は省略した。

0048

図2と共に説明した寸法は、試験において測定された値である。一方、図4図5図6に示す絶縁碍子体積I、中心電極体積E及び体積比I/Eは、これら測定値に基づく計算値である。絶縁碍子体積Iとは、円錐台形状部14の体積と、第2円柱部15の体積との合計値である。円錐台形状部14の体積は、円錐台形状部14の輪郭となる円錐台の体積から、中空部の体積を減算することで計算される。第2円柱部15の体積は、第2円柱部15の輪郭となる円柱の体積から、中空部の体積を減算し、さらに、R1による体積の減少分を考慮して計算される。

0049

中心電極体積Eとは、円錐台形状部14の後端位置から、第2円柱部15の先端位置までにおける中心電極20の体積のことである。中心電極体積Eは、先述した中心電極20の縮径による体積の減少分を考慮して計算する。

0050

体積比I/Eは、絶縁碍子体積Iを中心電極体積Eで除算した値である。なお、図4図5図6は、体積比I/Eについて降順ソートして示している。

0051

本実施形態のねじ部52の呼び径は先述したようにM14である。但し、図4図5図6に示された結果には、他の実施形態のものとしてM10及びM12のサンプルの結果も含まれる。

0052

試験の手順について説明する。大気雰囲気において、水冷チャンバに取り付けたスパークプラグ100に対して、2分間の加熱と、1分間の冷却とを交互に3000回、実施した。加熱は、バーナを用い、絶縁碍子10の先端面が加熱開始2分後に950℃になる条件で実施した。温度の確認には、放射温度計を使用した。冷却は、バーナの停止による自然冷却によって実施した。試験終了後、スパークプラグ100を解体して、軸線Oを含む断面で中心電極20を観察し、電極チップ29の先端面における酸化変質層の厚みを測定した。この厚みは、試験前においてはゼロmmである。

0053

酸化変質層の厚みが0.1mm未満の場合をA判定、0.1mm以上0.2mm未満の場合をB判定、0.2mm以上をX判定とした。X判定よりもB判定の方が好ましく、B判定よりもA判定の方が好ましい。

0054

図4に示すように、φC=1.7mmの場合、体積比I/Eが3.82以上のときはA判定となる(サンプルNo.1-11)。図5に示すように、φC=1.9mmの場合、体積比I/Eが2.80以上のときはA判定となる(サンプルNo.15-27)。図6に示すように、φC=2.2mmの場合、体積比I/Eが2.19以上のときはA判定となる(サンプルNo.30-39)。よって、これらの値は好ましい。

0055

図4に示すように、φC=1.7mmの場合、体積比I/Eが3.46以上のときはB判定以上となる(サンプルNo.1-13)。図5に示すように、φC=1.9mmの場合、体積比I/Eが2.55以上のときはB判定以上となる(サンプルNo.15-28)。図6に示すように、φC=2.2mmの場合、体積比I/Eが1.82以上のときはB判定以上となる(サンプルNo.30-42)。よって、これらの値は好ましい。

0056

上記の好ましい数値によれば、φCを2.2mm以下に設定しても、中心電極20の酸化が抑制されるので、耐電圧性の向上と、横飛火の抑制と、中心電極20の酸化の抑制とを同時に達成できるような設計が可能となる。

0057

図7は、上記の試験結果についてプロットしたグラフである。縦軸は体積比I/E、横軸は中心電極20の外径φCを示す。図7には、2つの近似曲線が示されている。

0058

実線曲線は、A判定となるための3つの下限値(φC,I/E)=(1.7,3.82)、(1.9,2.80)、(2.2,2.19)を2次関数フィッティングしたものである。この曲線の近似式は、I/E=6.1333φC2−27.18φC+32.301である。φCが1.7mm、1.9mm、2.2mm以外であっても、下記の不等式(1)を満たせば、A判定が得られると推測される。
I/E≧6.1333φC2−27.18φC+32.301…(1)
なお、上記のフィッティング及び近似式の導出、及び後述するフィッティング及び近似式の導出には、表計算ソフトのExcel(登録商標)を用いた。

0059

破線の曲線は、B判定以上となるための3つの下限値である(φC,I/E)=(1.7,3.46)、(1.9,2.55)、(2.2,1.82)を2次関数でフィッティングしたものである。この曲線の近似式は、I/E=4.2333φC2−19.79φC+24.869である。φCが1.7mm、1.9mm、2.2mm以外であっても、下記の不等式(2)を満たせば、B判定以上が得られると推測される。
I/E≧4.2333φC2−19.79φC+24.869…(2)

0060

図8は、耐汚損性についての試験結果をテーブルで示す。この試験において、着目したのは、図2に示された長さgである。なお、本実施形態では、第2円柱部15の先端から、主体金具50の先端面までの長さが1.5mmで固定されている。よって、本実施形態における長さgは、長さz2−1.5mmである。この他、第2円柱部15の先端から、中心電極20の先端までの長さも1.5mmで固定されている。

0061

試験の手順を説明する。−10℃に設定した低温試験室内のシャシダイナモメータ上に、排気量1.6Lの4気筒DOHCエンジンを有する自動車を用意した。この自動車のエンジンに、サンプルとしてのスパークプラグ100を組み付けた。

0062

その後、後述する第1の走行パターンエンジン停止による自然冷却、後述する第2の走行パターンを順に実施することを1サイクルとして、各サイクルにおいてスパークプラグ100の絶縁抵抗値を測定した。

0063

絶縁抵抗値が10MΩ以下にまで低下したことを条件に、試験を終了した。試験終了時サイクル数が5サイクル以下の場合はX判定、6〜19サイクルの場合はB判定、20サイクル以上の場合はA判定と評価した。

0064

上記の第1の走行パターンは、エンジンの空吹かしを3回行った後、ギアを3速にして速度35km/hで40秒間走行し、90秒間のアイドリングを挟んで、再び3速のギアによって35km/hで40秒間走行するというものである。

0065

上記の第2の走行パターンは、空吹かしを3回行った後、走行とエンジン停止とを繰り返すというものである。この走行は、3回、繰り返した。1回分の走行は、ギアを1速にして15km/hで20秒間、実施した。エンジン停止は、30秒間、実施した。第2の走行パターンの後、エンジンを停止させてから、次のサイクルの第1の走行パターンを実施した。

0066

図8に示すように、長さgが1.5mm以上の場合、A判定となった。よって、長さgは1.5mm以上が好ましい。上記のサイクルと共に絶縁抵抗値が低下するのは、燃焼室内の燃焼に伴う絶縁碍子10の汚損が主な原因である。この汚損は、横飛火を誘発する。よって、好ましい寸法によって耐汚損性を向上させることで、横飛火を抑制できる。長さgが長い場合に汚損が抑制されるのは、第2円柱部15よりも外径が太い円錐台形状部14が、主体金具50の先端面から遠ざかるからである。

0067

図9は、絶縁碍子10の耐折損性についての試験結果をテーブルで示す。この試験において着目したのは、長さz2と、面積Sとである。面積Sは、図3に示すように、肉盛り部60の片側の断面積である。図9に示す面積Sの値は、R2の値と、円錐台形状部14の形状とから算出された値である。R2の値は、曲率半径の値のことである。

0068

評価試験の手順について説明する。大気雰囲気において、水冷チャンバに取り付けたスパークプラグ100に対して、加熱を2分間、実行した後、絶縁碍子10に荷重を加えた。加熱は、バーナを用い、絶縁碍子10の先端面が加熱開始2分後に750℃になる条件で実施した。加えた荷重の大きさは、850Nである。荷重の作用点は、絶縁碍子10の最先端部であり、荷重の方向は、軸線Oとの直交方向である。荷重は、バーナの停止後、15秒以内に加えた。このように15秒以内に荷重を加えたのは、より厳しい条件で試験を実施するためである。絶縁碍子10は、温度が高いと機械的強度が低下するので、加熱後、直ぐに荷重を加えると、耐折損性には厳しい条件となる。

0069

各サンプルについて10本ずつ試験し、折損したサンプル数カウントした。10本中1本以上が折損した場合をB判定、折損が発生しなかった場合をA判定と評価した。

0070

図9に示すように、長さz2が2mm及び3mmの場合、面積SがゼロでもA判定となった。一方、長さz2が4mmの場合、面積Sが0.02mm2以上であると、A判定となった(サンプルNo.50,51)。よって、長さz2が4mm以上の場合は、面積Sは0.02mm2以上が好ましい。

0071

このように耐折損性を向上させることは、高圧縮比のエンジンに使用する場合に、特に好ましい。自然吸気かつ圧縮比11以上、或いは過給機付きかつ圧縮比9.5以上のエンジンは、ある特定の運転領域において異常燃焼が発生し、非常に大きな圧力波が発生することが知られている。この現象が発生すると、絶縁碍子10の先端部に衝撃が加わり、折損が発生する場合がある。この折損は、応力が集中する円錐台形状部14と第2円柱部15との境界で生じやすい。この境界を肉盛り部60によって補強することで、長さz2が4mmという長い値でも、折損が抑制されることが確認された。

0072

なお、図8図9と共に説明した試験に用いたサンプルにおいては、ねじ部52の呼び径をM14、φZ1をφ6.9mm、長さz1を2.8mm、長さLを12mm、φz2を3.7mmに設定した。

0073

図10は、絶縁性についての試験結果をテーブルで示す。この試験において着目したのは、エンジンのタイプ、第1円柱部13の有無、及び、向きtである。向きtとは、図2に示すように、対向面57aの先端位置から、第1円柱部13の先端位置への向きのことである。後端から先端への向きの場合を正と定義し、逆向きの場合を負と定義した。図2は、向きtが正の場合を示す。対向面57aは、棚部57の一部であって、軸線Oと平行な面であり、絶縁碍子10に対向する面である。

0074

図10は、参考のため、第2円柱部15の有無と、φZ2と、φCとを合わせて示す。第2円柱部15が無い場合は、絶縁碍子10の先端の外径をφZ2として測定した。なお、何れのサンプルにおいても、φZ1をφ6.9mmに設定した。

0075

上記のエンジンのタイプとは、吸気方式と圧縮比とのことである。吸気方式は、自然吸気(NA)又は過給機付き(S)の何れかである。なお、今回の試験には、何れも直噴タイプのエンジンを使用した。

0076

試験の手順について説明する。サンプルとなるスパークプラグ100をエンジンに4本取り付けた。一定回転数(具体的には5000rpm)でエンジンを回転させ、500時間が経過した時点で、4本中1本以上の貫通が発生したサンプルをX判定、貫通が発生しなかったサンプルをA判定と評価した。ここでいう貫通とは、スパークプラグ100に印加した電圧によって、中心電極20と棚部57との間に配置された絶縁碍子10が破壊され、絶縁碍子10に貫通孔が形成されることを意味する。

0077

図10に示すように、自然吸気かつ圧縮比が11であっても、第1円柱部13が有り、向きtが正であれば、A判定であった。さらに、過給機付きかつ圧縮比が9.5であっても、第1円柱部13が有り、向きtが正であれば、A判定であった。よって、自然吸気かつ圧縮比が11以上の場合、又は、過給機付きかつ圧縮比が9.5以上の場合、第1円柱部13が有り、向きtが正であるのが好ましい。

0078

上記の好ましい条件によって絶縁性が向上するのは、棚部57の付近において、絶縁碍子10の厚みが確保されるからである。棚部57は、中心電極20との距離が短い部位であるので、貫通が発生しやすい部位である。向きtを正に設定し、絶縁碍子10が薄くなる円錐台形状部14が対向面57aに対向することを回避することで、貫通が抑制されることが確認された。

0079

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

0080

図11は、図7と同様に、中心電極の外径φCに対して、好ましい結果を得るための体積比I/Eの下限値をプロットしたグラフである。図11には、2つの近似直線が示されている。

0081

実線の直線は、A判定となるための3つの下限値を1次関数でフィッティングしたものである。この直線の近似式は、I/E=−3.1632φC+9.0521である。φCが1.7mm、1.9mm、2.2mm以外であっても、下記の不等式(3)を満たせば、A判定が得られると推測される。
I/E≧−3.1632φC+9.0521…(3)

0082

破線の直線は、B判定以上となるための3つの下限値を1次関数でフィッティングしたものである。この直線の近似式は、I/E=−3.2132φC+8.8221である。φCが1.7mm、1.9mm、2.2mm以外であっても、下記の不等式(4)を満たせば、B判定以上が得られると推測される。
I/E≧−3.2132φC+8.8221…(4)

0083

図12は、図7と同様に、中心電極の外径φCに対して、好ましい結果を得るための体積比I/Eの下限値をプロットしたグラフである。図11には、4つの近似直線が示されている。

0084

実線の直線は、A判定となるための3つの下限値を、φC≦1.9mmと、1.9mm≦φCとで場合分けして、1次関数でフィッティングしたものである。この直線の近似式は、I/E=−5.1φC+12.49(φC≦1.9mm)、及び、I/E=−2.0333φC+6.6633(1.9mm≦φC)である。φCが1.7mm、1.9mm、2.2mm以外であっても、下記の不等式(5)を満たせば、A判定が得られると推測される。
I/E≧−5.1φC+12.49(φC≦1.9mm)、I/E≧−2.0333φC+6.6633(1.9mm≦φC)…(5)

0085

破線の直線は、B判定以上となるための3つの下限値を、φC≦1.9mmと、1.9mm≦φCとで場合分けして、1次関数でフィッティングしたものである。この直線の近似式は、I/E=−4.55φC+11.195(φC≦1.9mm)、及び、I/E=−2.4333φC+7.1733(1.9mm≦φC)である。φCが1.7mm、1.9mm、2.2mm以外であっても、下記の不等式(6)を満たせば、B判定以上が得られると推測される。
I/E≧−4.55φC+11.195(φC≦1.9mm)、I/E≧−2.4333φC+7.1733(1.9mm≦φC)…(6)

0086

先述した円錐台形状部は、断面形状が台形であり、台形の脚が直線形状であった。円錐台形状部の形状は、これに限られない。例えば、上記の台形の脚に相当する部位の形状は、折れ曲がった形状でもよいし、曲線形状でもよい。折れ曲がった形状の場合、先端側の直線で、肉盛り部を定義してもよい。
中心電極の外径は、φ1.7mm未満でもよい。
中心電極の外径がφ1.7mm未満の場合に、先述した不等式(1)〜(6)の少なくとも何れかを満たしてもよい。
上記で説明したフィッティングは、1次関数や2次関数以外を用いてもよい。例えば、2次よりも高次関数や、指数関数対数関数などを用いてもよい。

0087

実施形態として説明したスパークプラグは、ポート噴射タイプのガソリンエンジンに使用してもよい。
ねじ部の呼び径は、先述したものに限られず、例えばM6,M8,M10,M12,M14,M16,M18,M20,M22,M24の何れかでもよい。
肉盛り部の断面形状は、R形状でなくてもよい。例えば、直線形状でもよい。
接地電極に電極チップを設けてもよい。

0088

3…セラミック抵抗
4…シール体
5…ガスケット
6…リング部材
8…板パッキン
9…タルク
10…絶縁碍子
12…軸孔
13…第1円柱部
14…円錐台形状部
15…第2円柱部
16…外周側段部
17…先端側胴部
18…後端側胴部
19…鍔部
20…中心電極
21…電極母材
22…芯材
25…中心電極鍔部
29…電極チップ
30…接地電極
33…先端部
40…端子金具
50…主体金具
51…工具係合部
52…ねじ部
53…加締部
54…鍔部
55…座面
57…棚部
57a…対向面
58…座屈部
59…ねじ首
60…肉盛り部
100…スパークプラグ
200…エンジンヘッド
201…取付ねじ孔
205…開口周縁部

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