JP6899409B2 - 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。

スパークプラグとして、特許文献１、特許文献２、特許文献３に開示のものが知られている。特許文献１には、柱状の中心電極と、他端部が内周側に向けて屈曲され、中心電極の先端部との間で火花放電間隙を形成する接地電極とを備えたスパークプラグが開示されている。このスパークプラグでは、接地電極における他端部の軸線と、中心電極の軸線とがねじれの位置関係とされている。そして、このように構成すれば、火花放電間隙にて形成される火炎核が成長する際に、燃焼室の中央側に向けた方向では接地電極の他端部が障害物とならず、燃焼室内全体に速やかに燃え広がることができ、スパークプラグの着火性を向上することができる、と記載されている。

特開２００７−２３４５１１号公報 特開２０１１−１８７４３７号公報 特開２０１６−１８４５５８号公報 特開２０１５−１３０３０２号公報 特開２０１８−６３０４号公報

近年、内燃機関に対する高効率化の要求が高まっている。内燃機関の高効率化に対しては燃焼速度の向上が有効であることが知られている。燃焼速度の向上に対して有効であるとして近年注目されているのが副室付きスパークプラグ（以下プレチャンバープラグとも称する）である（特許文献４及び特許文献５参照）。プレチャンバープラグはこれまで発電機やレース用エンジンに適用され、燃焼効率の向上が確認されている。さらにプレチャンバープラグは発電機やレース用エンジン以外の内燃機関に適用しても、燃焼効率が向上する効果がみられる。

プレチャンバープラグは電極間で火花点火したあと、まず副室内で燃焼が発生する。その後、副室内の燃焼が外部との貫通孔（噴孔）を通して噴出し、噴出した高温ガスを着火源として主燃焼室内で爆発的な燃焼が起こる。副室から高温ガスが噴出する速度は副室を有しないスパークプラグの点火による燃焼の速度より速く、さらに、噴出した高温ガスの軌跡全体が着火源となるため、高温ガスにより多くの燃料を触れさせることが可能である。このため、プレチャンバープラグの燃焼速度は副室を有しないスパークプラグの燃焼速度よりも速くなり、それにより燃焼効率が向上する効果が期待できる。

ところで、主燃焼室内には常に流動が存在しており、吸気側、排気側など主燃焼室内の位置の違いにより流動状態が大きく異なることが知られている。すなわち、主燃焼室内の各部位の流動状態に応じて、各部位の着火しやすさに差が生じることになる。しかし、プレチャンバープラグは複数の噴孔からの噴出の強さが同等とされることが一般的であり、このような構成では主燃焼室の各部位における着火しやすさに応じたレイアウトに対応できず、着火性という観点において改善の余地がある。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、着火性に優れたスパークプラグを提供することを目的とする。本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一つであるスパークプラグは、
棒状の中心電極と、
前記中心電極の先端部に対向する対向部を有し、前記対向部と前記中心電極の前記先端部との間に放電ギャップを形成する接地電極と、
前記中心電極の前記先端部が自身の先端よりも露出した状態で前記中心電極を内部に収容する筒状の絶縁体と、
前記絶縁体を内部に収容する筒状の主体金具と、
前記中心電極の前記先端部と、前記接地電極の前記対向部と、を先端側から覆って、副室を形成するとともに、貫通孔たる噴孔が形成されたカバー部と、
を備えたスパークプラグであって、
前記対向部は、前記中心電極の前記先端部に最も近い近接部が、前記中心電極の前記先端部の外周を前記中心電極の軸線の方向に延長してなる筒形の内側たる仮想空間内に位置し、
前記中心電極の前記先端部と前記対向部の前記近接部とを最短距離で結んだ線分の中点が、前記中心電極の軸線からずれて位置する。

この構成によれば、中心電極の先端部と対向部の近接部を最短距離で結んだ直線の中点を中心電極の軸線からずれて位置させることで、噴孔からの噴出の強さを調整して、着火性に優れたスパークプラグを提供することができる。

上記スパークプラグにおいて、
前記副室の内壁面に前記接地電極の基端部が挿入される開口部を有し、
前記開口部の中心と前記中心電極の軸線とを含む平面にて前記副室を第１部分と第２部分に分割した場合に、前記第１部分と前記第２部分の各々に前記噴孔が少なくとも１つ存在する構成としてもよい。
この構成によれば、中心電極の先端部と対向部の近接部を最短距離で結んだ直線の中点の位置と接地電極の配置に応じて、第１部分に存在する噴孔と第２部分に存在する噴孔とで、噴出の強さを変えることができる。このため、主燃焼室におけるレイアウト等に応じて第１部分と第２部分の配置を設計して、着火性を高めることができる。

上記スパークプラグにおいて、前記中心電極の前記軸線上に、前記対向部が存在してもよい。
この構成によれば、対向部の大きさを十分に確保でき、対向部の耐消耗性を向上することができる。

第１実施形態におけるスパークプラグの構成を示す断面図である。 スパークプラグの一部拡大断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した、スパークプラグの一部拡大断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線第１平面で切断した、スパークプラグの断面図である。 中心電極の先端部と対向部の近接部を模式的示す図である。 スパークプラグが内燃機関に配置された状態を示す断面図である。 他の実施形態における中心電極の先端部と対向部の近接部を模式的示す模式図である。

＜第１実施形態＞
以下、スパークプラグ１００の第１実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明では、図１の下方側をスパークプラグ１００の先端側（前方側）とし、図１の上方側を後端側として、上下方向をＺ軸方向とする。また、図２の紙面左右方向をスパークプラグ１００のＹ軸方向とし、図３の紙面左右方向をスパークプラグ１００のＸ軸方向とする。
図１は、第１実施形態におけるスパークプラグ１００の概略構成を示す断面図である。

図１では、スパークプラグ１００の中心軸線ＣＸが一点鎖線で図示されている。また、図６には、スパークプラグ１００が内燃機関に取り付けられたときの燃焼室１０５の天井面と側壁面が二点鎖線によって図示されている。燃焼室１０５内には、ピストン１０７が配されている。

スパークプラグ１００は、内燃機関に取り付けられて、その点火に用いられる。内燃機関に取り付けられたときには、スパークプラグ１００の先端側（紙面下側）は内燃機関の燃焼室１０５内に配置され、後端側（紙面上側）は燃焼室１０５の外部に配置される。スパークプラグ１００は、図１に示すように、中心電極１０と、接地電極１３と、絶縁体２０と、端子電極３０と、主体金具４０と、カバー部５０とを備える。

中心電極１０は、棒状の電極部材によって構成され、その軸線Ｘ１がスパークプラグ１００の中心軸線ＣＸと一致するように配置されている。中心電極１０は、その先端部１１が、主体金具４０の先端側開口部４０Ａ内に位置するように、絶縁体２０を介して主体金具４０に保持されている。中心電極１０は、後端側に配置されている端子電極３０を介して外部電源に電気的に接続される。

接地電極１３は、中心電極１０の先端部１１に向かって延伸している棒状の電極である。接地電極１３は、主体金具４０の先端側開口部４０Ａにおいて内周面４３から内側へ向かって延びている。そして、接地電極１３は、中心電極１０の先端部１１の前方まで延びている。接地電極１３は、中心電極１０の先端部１１に対向する対向部１４を有している。接地電極１３の対向部１４と、中心電極１０の先端部１１との間に放電ギャップＳＧが形成されている。接地電極１３の配置構成については、後に説明する。

絶縁体２０は、中心を貫通する軸孔２１を有する筒状部材である。絶縁体２０は、例えば、アルミナや、窒化アルミニウム等のセラミック焼結体によって構成される。絶縁体２０の軸孔２１の先端側には、中心電極１０が、その先端部１１が露出した状態で収容されている。軸孔２１の後端側には軸状の電極部材である端子電極３０が保持されている。端子電極３０の後端部３１は、外部電源と接続可能なように、絶縁体２０の後端開口部２２から延出している。中心電極１０と端子電極３０とは、火花放電発生時における電波雑音の発生を抑制するために、ガラスシール材に挟まれた抵抗体３５を介して電気的に接続されている。絶縁体２０の中心軸は、スパークプラグ１００の中心軸線ＣＸと一致している。

主体金具４０は、中心に筒孔４１を有する略円筒状の金属部材であり、絶縁体２０を内部に収容する。主体金具４０は、例えば、炭素鋼によって構成される。主体金具４０の中心軸はスパークプラグ１００の中心軸線ＣＸと一致する。主体金具４０の先端側開口部４０Ａには、上述したように、接地電極１３が取り付けられている。

主体金具４０の内周面４３は、図２及び図３に示すように、副室５１の内壁面の一部を構成する。主体金具４０は、内周面４３に接地電極１３の基端部１５が挿入される開口部４５を有している。開口部４５は、主体金具４０を内外方向に貫通する貫通孔の内周側の開口とされる。この貫通孔は、主体金具４０の外周側から内周側に向けて接地電極１３を挿入可能に構成されている。

カバー部５０はドーム状に形成されている。カバー部５０の後端は、主体金具４０の先端に固定される。カバー部５０は、中心電極１０の先端部１１、及び接地電極１３の対向部１４を先端側から覆って、副室５１を形成する。つまり、副室５１は、カバー部５０の内壁面と主体金具４０の内周面４３によって囲まれた空間とされている。カバー部５０には、貫通孔たる噴孔５５が形成されている。カバー部５０に覆われた空間である副室５１（着火室）は、噴孔５５を介して燃焼室１０５と連通する。カバー部５０のうち、噴孔５５よりも先端側の部分は、噴孔５５よりも後端側の部分よりも薄くされている。

カバー部５０には、副室５１内において、放電ギャップＳＧより先端側に複数の噴孔５５が形成されている。複数の噴孔５５は、中心電極１０の軸線Ｘ１を中心とする仮想円周上に位置している（図４参照）。具体的には、４つの噴孔５５が中心電極１０の軸線Ｘ１を中心とする仮想的な円の円周上に等間隔で配列されている。図４において、開口部４５の中心Ｃ１を０°とした場合、反時計回り正とすると、噴孔５５は０°、９０°、１８０°、２７０°の位置にそれぞれ配置されている。言い換えれば、複数の噴孔５５は開口部４５の中心Ｃ１と中心電極１０の軸線Ｘ１とを含む平面Ｐ１を対称面として左右対称に配置されている。なお、図４において０°の位置の噴孔５５については図示していない。以下の説明では、図４の左側に位置する９０°の位置に配された噴孔５５を噴孔５５Ａとし、右側に位置する２７０°の位置に配置された噴孔５５を噴孔５５Ｂとして説明する。

続いて、接地電極１３の配置構成について説明する。
図２及び図３に示すように、接地電極１３は、スパークプラグ１００に１本のみ設けられている。接地電極１３は、断面視円形状をなし、直線状に延びる形態とされる。接地電極１３は、基端部１５が主体金具４０の開口部４５に挿入されている。接地電極１３は、開口部４５に基端部１５が挿入された状態で、主体金具４０の内周面４３から片持ち状に延びるように保持される。接地電極１３は副室５１の内壁面において複数の噴孔５５より上方に位置する部位から内側に向けて突出して、副室５１内において複数の噴孔５５より上方の空間の一部を占有する。接地電極１３は、自身の軸線Ｘ２が中心電極１０の軸線Ｘ１とねじれの位置となる形態で副室５１内に突出している。図４に示すように、接地電極１３は、自身の軸線Ｘ２を通り中心電極１０の軸線Ｘ１に垂直な平面により切断した断面において、開口部４５の中心Ｃ１と中心電極１０の軸線Ｘ１を通る基準線に対してＸ軸方向に角度θ１分オフセットされている。

接地電極１３は、噴孔５５Ａと放電ギャップＳＧとの間に介在する。つまり、接地電極１３は、副室５１内において放電ギャップＳＧに対して噴孔５５Ａ側から被るようにして配置されている。接地電極１３は、放電ギャップＳＧから噴孔５５Ａに向けて火炎が広がる場合に障害物となり得る。接地電極１３は、放電ギャップＳＧから噴孔５５Ｂに向けて火炎が広がる場合にも障害物となり得るが、障害の程度が、噴孔５５Ａに向けて火炎が広がる場合より小さくされている。例えば、接地電極１３は噴孔５５Ｂと放電ギャップＳＧとの間に介在しない構成とされる。

図５に示すように、対向部１４は、中心電極１０の先端部１１に最も近い近接部１９が、中心電極１０の先端部１１の外周を中心電極１０の軸線Ｘ１の方向に延長してなる筒形の内側たる仮想空間Ｓ１内に位置している。近接部１９は、対向部１４内において、中心電極１０の先端部１１及び対向部１４の形状と位置に応じて定まる部位とされる。本実施形態では、中心電極１０の先端部１１が軸線Ｘ１と垂直な平面とされ、対向部１４が円柱の側面とされるから、この近接部１９が一義的に定まる。そして、中心電極１０の先端部１１と対向部１４の近接部１９とを最短距離で結んだ線分の中点Ｍ１が、中心電極１０の軸線Ｘ１からずれて位置する。この中点Ｍ１は、放電ギャップＳＧにおいて火炎核が形成される箇所とされる。なお、中心電極の先端部と対向部とが互いに平行な面を有する場合のように、中心電極の先端部と対向部の近接部とを最短距離で結んだ線分が複数規定できる場合には、規定されるすべての線分の中点が上記の要件を満たしていればよい。

中心電極１０の軸線Ｘ１上には、対向部１４が存在する。図５は、接地電極１３の軸線Ｘ２に垂直で中心軸線ＣＸを含む平面で切断した断面を見た図である。図５において、中心電極１０の軸線Ｘ１上に対向部１４の一部分１４Ａが位置している。この部分１４Ａは近接部１９より先端側に控えて位置している。

図３及び図４に示すように、スパークプラグ１００は、開口部４５の中心Ｃ１と中心電極１０の軸線Ｘ１とを含む平面Ｐ１にて副室５１を第１部分５１Ａと第２部分５１Ｂに分割した場合に、第１部分５１Ａと第２部分５１Ｂの各々に噴孔５５が少なくとも１つ存在する。第１部分５１Ａに存在する噴孔５５が噴孔５５Ａであり、第２部分５１Ｂに存在する噴孔５５が噴孔５５Ｂである。つまり、Ｙ−Ｚ平面として平面Ｐ１を特定した場合に、Ｘ軸方向両側に噴孔５５Ａと噴孔５５Ｂが存在している。なお、第１部分５１Ａと第２部分５１Ｂに存在する噴孔５５を数えるにあたり、第１部分５１Ａと第２部分５１Ｂに跨って配置された噴孔５５については数えないものとする。

続いて、本実施形態の作用効果について図６を参照しつつ説明する。
図６に示すように、燃焼室１０５内には、例えば実線の矢印で示すような流動が生成されている。スパークプラグ１００の近傍では、紙面右側から左側に向かう流れが生じている。つまり、燃焼室１０５は、スパークプラグ１００に対して、紙面左側では噴孔５５Ａから噴出する火炎に順行する向きの流れが生じ、紙面右側では噴孔５５Ｂから噴出する火炎に逆行する向きの流れが生じるレイアウトとなっている。

スパークプラグ１００は、中心電極１０の先端部１１と対向部１４の近接部１９とを最短距離で結んだ線分の中点Ｍ１が、中心電極１０の軸線Ｘ１から図６の紙面左側にずれて位置する。中心電極１０と接地電極１３との間で放電し、中点Ｍ１で火炎核が形成されると、副室５１内で燃焼が発生する。副室５１内の燃焼は複数の噴孔５５を通して燃焼室１０５に噴出する。この際、接地電極１３が副室５１内で火炎が広がる際に圧力損失を生じる構造物となる。副室５１の第１部分５１Ａで火炎が広がる際に、中点Ｍ１と噴孔５５Ａとの間には接地電極１３が介在し圧力損失が生じる。一方、副室５１の第２部分５１Ｂで火炎が広がる際に、中点Ｍ１と噴孔５５Ｂとの間には接地電極１３が介在しないか、わずかに介在するに留まり、圧力損失が生じ難い。このため、スパークプラグ１００は、噴孔５５Ａから火炎が噴出する強さが小さく、噴孔５５Ｂから火炎が噴出する強さ大きくなる。図６においては、噴孔５５Ａから噴出した火炎を小さい白抜き矢印で模式的に示し、噴孔５５Ｂから噴出した火炎を大きい白抜き矢印で模式的に示す。噴孔５５Ａから噴出した火炎は、流動に沿って燃焼室１０５の左側側壁面付近に至る。噴孔５５Ｂから噴出した火炎は、流動に逆行しつつ燃焼室１０５の右側側壁面付近に至る。燃焼室１０５では、噴孔５５Ａ，５５Ｂからの火炎の噴出の軌跡全体が着火源となり、効率よく燃焼が生じる。

以上説明したように、本実施形態によれば、中心電極１０の先端部１１と対向部１４の近接部１９を最短距離で結んだ直線の中点Ｍ１を中心電極１０の軸線Ｘ１からずれて位置させることで、噴孔５５Ａ，５５Ｂからの噴出の強さを調整して、着火性に優れたスパークプラグを提供することができる。

また、本実施形態によれば、中心電極１０の先端部１１と対向部１４の近接部１９を最短距離で結んだ直線の中点Ｍ１の位置に応じて、第１部分５１Ａに存在する噴孔５５Ａと第２部分５１Ｂに存在する噴孔５５Ｂとで、噴出の強さを変えることができる。このため、燃焼室１０５におけるレイアウト等に応じて第１部分５１Ａと第２部分５１Ｂの配置を設計して、着火性を高めることができる。

本実施形態では、中心電極１０の軸線Ｘ１上に、対向部１４が存在する。このため、対向部１４の大きさを十分に確保でき、対向部１４の耐消耗性を向上することができる。

＜他の実施形態（変形例）＞
なお、この発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

（１）上記実施形態では、接地電極が円柱状の構成を例示したが、これに限られない。例えば、図７に示す接地電極１１３のように、略角柱状の構成であってもよい。また、上記実施形態では、中心電極の軸線上に対向部が存在する構成を例示したが、接地電極１１３のように、中心電極１０の軸線Ｘ１上に、対向部１４が存在しなくても構わない。さらに、接地電極は直線状に延びる構成に限られず、屈曲して延びる構成であってもよい。
（２）上記実施形態では、接地電極１３が噴孔５５Ｂと放電ギャップＳＧとの間に介在しない構成を例示したが、これに限られない。例えば、接地電極１３は、噴孔５５Ｂと放電ギャップＳＧとの間に介在する領域範囲が、噴孔５５Ａと放電ギャップＳＧとの間に介在する領域範囲より小さくなるように配されていてもよい。
（３）上記実施形態では、主体金具が接地電極の基端部が挿入される開口部を有する構成を例示したが、これに限られない。例えば、カバー部が開口部を有する構成であってもよい。
（４）上記実施形態以外にも、噴孔の数、配置、貫通方向は、適宜変更可能である。例えば、第１部分と第２部分の各々に存在する噴孔は、開口部の中心を０°とした場合に、いずれの角度の位置に配置されていてもよい。また、上記実施形態では、噴孔が開口部の中心と中心電極の軸線とを含む平面を対称面として左右対称に配置される構成を例示したが、これに限られない。
（５）上記実施形態では、カバー部の形状は、特定形状としたが、その形状は適宜変更することができる。カバー部の形状は、例えば、円筒、四角の箱型、円錐等とすることができる。
（６）上記実施形態以外にも、燃焼室におけるスパークプラグのレイアウトは適宜変更可能である。

１０…中心電極
１１…先端部
１３…接地電極
１４…対向部
１５…基端部
１９…近接部
２０…絶縁体
２１…軸孔
２２…後端開口部
３０…端子電極
３１…後端部
３５…抵抗体
４０…主体金具
４０Ａ…先端側開口部
４１…筒孔
４３…内周面（副室の内壁面）
４５…開口部
５０…カバー部
５１…副室
５１Ａ…第１部分
５１Ｂ…第２部分
５５，５５Ａ，５５Ｂ…噴孔
１００…スパークプラグ
１０５…燃焼室
１０７…ピストン
１１３…接地電極
Ｃ１…中心
ＣＸ…中心軸線
Ｍ１…中点
Ｐ１…平面
Ｓ１…仮想空間
ＳＧ…放電ギャップ
Ｘ１…中心電極１０の軸線
Ｘ２…接地電極１３の軸線

Claims (4)

1. 棒状の中心電極と、
   前記中心電極の先端部に対向する対向部を有し、前記対向部と前記中心電極の前記先端部との間に放電ギャップを形成する接地電極と、
   前記中心電極の前記先端部が自身の先端よりも露出した状態で前記中心電極を内部に収容する筒状の絶縁体と、
   前記絶縁体を内部に収容する筒状の主体金具と、
   前記中心電極の前記先端部と、前記接地電極の前記対向部と、を先端側から覆って、副室を形成するとともに、貫通孔たる噴孔が形成されたカバー部と、
   を備えたスパークプラグであって、
   前記対向部は、前記中心電極の前記先端部に最も近い近接部が、前記中心電極の前記先端部の外周を前記中心電極の軸線の方向に延長してなる筒形の内側たる仮想空間内に位置し、
   前記中心電極の前記先端部と前記対向部の前記近接部とを最短距離で結んだ線分の中点が、前記中心電極の軸線からずれて位置するスパークプラグ。
2. 前記噴孔は、前記接地電極の両側に存在し、
   前記接地電極は、
   一方の前記噴孔と前記放電ギャップとの間に介在せず、他方の前記噴孔と前記放電ギャップとの間に介在する構成と、
   一方の前記噴孔と前記放電ギャップとの間に介在する領域範囲が、他方の前記噴孔と前記放電ギャップとの間に介在する領域範囲より小さくなる構成と、のいずれかである請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 前記副室の内壁面に前記接地電極の基端部が挿入される開口部を有し、
   前記開口部の中心と前記中心電極の軸線とを含む平面にて前記副室を第１部分と第２部分に分割した場合に、前記第１部分と前記第２部分の各々に前記噴孔が少なくとも１つ存在する請求項１又は請求項２に記載のスパークプラグ。
4. 前記中心電極の前記軸線上に、前記対向部が存在する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のスパークプラグ。

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