JP7468169B2 - 内燃機関用のスパークプラグ及び内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用のスパークプラグ及び内燃機関に関する。

特許文献１には、放電ギャップが配された副燃焼室を備えたスパークプラグが開示されている。かかるスパークプラグにおいては、副燃焼室において着火して生じた火炎を、貫通孔から火炎ジェットとして噴出させることにより、主燃焼室における燃焼を促進させる。

特開２０１５－１３０３０２号公報

しかしながら、副燃焼室内において初期火炎が形成される位置によっては、火炎ジェットを強化し難いという課題がある。つまり、初期火炎の位置によっては、火炎の成長に伴う副燃焼室内の圧力が充分に上昇する前に、火炎が貫通孔から漏れてしまうことが考えられる。その結果、火炎ジェットの強化が困難となり、主燃焼室における燃焼効率の向上が困難となるおそれがある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、燃焼効率の向上を図ることができる内燃機関用のスパークプラグ及び内燃機関を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、筒状の絶縁碍子（３）と、
該絶縁碍子の内周側に保持されると共に該絶縁碍子から先端側に突出する先端突出部（４１）を有する中心電極（４）と、
上記絶縁碍子を内周側に保持する筒状のハウジング（２）と、
上記先端突出部が配される副燃焼室（５０）を覆うよう上記ハウジングの先端部に設けられたプラグカバー（５）と、を有し、
上記プラグカバーは、先端壁部（５４）から上記副燃焼室へ向かって突出すると共に内側に軸方向噴孔（５１１）を備えた突出筒状部（５３）を有し、
上記プラグカバーにおける上記突出筒状部よりも外周側に、上記副燃焼室と外部とを連通させる側方噴孔（５１６）が形成されており、
該突出筒状部は、プラグ軸方向（Ｚ）に直交する断面の外形が、複数の凸角部（５３１）を備えた形状であり、
上記プラグ軸方向から見たとき、上記突出筒状部における、複数の上記凸角部のうちの互いに隣り合う２つの上記凸角部の間の外周面に面する位置に、上記側方噴孔が形成されており、
かつ、上記側方噴孔の中心軸の延長線である噴孔軸（Ｄ）が、上記突出筒状部の外周面と交わる、内燃機関用のスパークプラグ（１）にある。

上記内燃機関用のスパークプラグにおいて、突出筒状部は、プラグ軸方向に直交する断面の外形が、複数の凸角部を備えた形状である。それゆえ、突出筒状部の外周面における、複数の凸角部の間に対応する部位は、比較的平坦な面もしくは凹状の面が形成されることとなる。そうすると、側方噴孔から導入されて突出筒状部における当該面に当たった気流が、当該面にガイドされて、プラグ軸方向の基端側へ導かれやすくなる。これにより、副燃焼室内において形成された放電が基端側へ引き伸ばされやすくなる。その引き伸ばされ拡大した放電により、より大きな初期火炎が形成されやすく、かつ、副燃焼室における、より基端側に初期火炎を形成しやすくなる。あるいは、副燃焼室における、より基端側に初期火炎を移動させやすくなる。その結果、噴孔からの火炎ジェットを強化することができ、燃焼効率を向上させることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、燃焼効率の向上を図ることができる内燃機関用のスパークプラグ及び内燃機関を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、スパークプラグの先端部付近の、軸方向に沿った断面図。 図１のII－II線矢視断面図。 図１のIII－III線矢視断面図。 図１のIV矢視図。 実施形態１における、内燃機関に取り付けられたスパークプラグの正面図。 実施形態１における、作用効果を説明する断面説明図。 図６のVII－VII線矢視断面図。 突出筒状部が略円錐台形状であるとした場合の気流を説明する断面説明図。 実施形態２における、スパークプラグの先端部付近の、軸方向に沿った断面図。 図９のＸ－Ｘ線矢視断面図。 実施形態２における、スパークプラグを取り付けた内燃機関の断面説明図。 実施形態３における、放電ギャップＧ付近の断面図。 実施形態４における、スパークプラグの先端部付近の、軸方向に沿った断面図。 実施形態５における、凹湾曲面を有する突出筒状部を、基端側から見たスパークプラグの先端部付近の断面図。 実施形態５における、凹屈曲面を有する突出筒状部を、基端側から見たスパークプラグの先端部付近の断面図。

（実施形態１）
内燃機関用のスパークプラグに係る実施形態について、図１～図７を参照して説明する。
本形態の内燃機関用のスパークプラグ１は、図１に示すごとく、筒状の絶縁碍子３と、中心電極４と、筒状のハウジング２と、プラグカバー５と、を有する。

中心電極４は、絶縁碍子３の内周側に保持されている。また、中心電極４は、絶縁碍子３から先端側に突出する先端突出部４１を有する。ハウジング２は、絶縁碍子３を内周側に保持する。プラグカバー５は、先端突出部４１が配される副燃焼室５０を覆うようハウジング２の先端部に設けられている。

プラグカバー５は、突出筒状部５３を有する。突出筒状部５３は、先端壁部５４から副燃焼室５０へ向かって突出すると共に内側に軸方向噴孔５１１を備えている。プラグカバー５における突出筒状部５３よりも外周側に、副燃焼室５０と外部とを連通させる側方噴孔５１６が形成されている。突出筒状部５３は、図２に示すごとく、プラグ軸方向Ｚに直交する断面の外形が、複数の凸角部５３１を備えた形状である。

突出筒状部５３は、図２に示すごとく、プラグ軸方向Ｚ（以下において、単に「軸方向Ｚ」ともいう。）に直交する断面の外形が、多角形状である。つまり、多角形の角部が、上述の凸角部５３１となる。なお、突出筒状部５３における、軸方向Ｚに直交する断面を、以下において、軸直交断面ともいう。

また、突出筒状部５３は、図１～図３に示すごとく、その外形が、略角錐台形状を有する。すなわち、突出筒状部５３の外周面は、基端側へ向かうほどプラグ中心軸Ｃに近づくように傾斜している。突出筒状部５３は、軸直交断面の外形における凸角部５３１となる部分が、角錐台形の稜線５３３となる。そして、突出筒状部５３は、周方向に隣り合う稜線５３３の間に、傾斜平面５３２を有する。突出筒状部５３の外周面には、複数の稜線５３３と、複数の傾斜平面５３２とが形成されている。

本形態において、突出筒状部５３は、略四角錐台形状を有し、図２に示すごとく、軸直交断面の外形が略正方形状を有する。また、突出筒状部５３は、筒状でもあり、内側における軸方向噴孔５１１が、軸方向Ｚに沿って貫通している。本形態において、軸方向噴孔５１１の基端側の開口部は、図３、図４に示すごとく、略円形状に形成されている。

本形態のスパークプラグ１は、例えば、自動車、コージェネレーション等の内燃機関における着火手段として用いることができる。そして、図５に示すごとく、スパークプラグ１の軸方向Ｚの一端を、内燃機関の燃焼室に配置する。この内燃機関の燃焼室を、上述の「副燃焼室５０」に対して、「主燃焼室１１」という。スパークプラグ１の軸方向Ｚにおいて、主燃焼室１１に露出する側を先端側、その反対側を基端側というものとする。

プラグカバー５は、ハウジング２の先端部に溶接等によって接合されている。図５に示すごとく、スパークプラグ１が内燃機関に取り付けられた状態において、プラグカバー５は、副燃焼室５０を主燃焼室１１と区画している。本形態において、図１～図３に示すごとく、プラグカバー５には、複数の側方噴孔５１６が形成されている。各側方噴孔５１６は、先端側へ向かうほど外周側へ向かうように傾斜している。副燃焼室５０にて生じた火炎は、軸方向噴孔５１１及び側方噴孔５１６から主燃焼室１１へ噴出する。また、内燃機関の圧縮行程等においては、主燃焼室１１から軸方向噴孔５１１及び側方噴孔５１６を介して、副燃焼室５０に気流Ａ２、Ａ１が導入される（図６参照）。

図１に示すごとく、側方噴孔５１６は、プラグカバー５における、先端壁部５４と外周壁部５５との間の先端角部に形成されている。側方噴孔５１６の中心軸の延長線Ｄ（以下において、噴孔軸Ｄともいう。）は、突出筒状部５３と交わる。また、プラグ中心軸Ｃを含むと共に側方噴孔５１６の中心を通る平面による断面（すなわち図１の断面）において、噴孔軸Ｄとプラグ中心軸Ｃとの交点Ｅは、突出筒状部５３の基端よりも先端側に配されている。

図３に示すように軸方向Ｚから見たとき、側方噴孔５１６の噴孔軸Ｄは、プラグ中心軸Ｃ付近を通る。ただし、噴孔軸Ｄとプラグ中心軸Ｃとは必ずしも交わる必要はない。
また、図３に示すごとく、軸方向Ｚから見て、側方噴孔５１６は、突出筒状部５３の傾斜平面５３２に面する位置に形成されている。本形態において、側方噴孔５１６は４個形成されている。そして、傾斜平面５３２も、４つ形成されている。これら４つの傾斜平面５３２は、軸方向Ｚから見たとき、それぞれ側方噴孔５１６に面している。つまり、軸方向Ｚから見たとき、一つの傾斜平面５３２に対して、一つの側方噴孔５１６が対向配置されている。

図１に示すごとく、中心電極４は、プラグ中心軸Ｃに沿って形成されている。本形態において、中心電極４の中心軸は、プラグ中心軸Ｃと概ね一致している。
突出筒状部５３の基端部は、中心電極４の先端突出部４１に、先端側から対向している。そして、突出筒状部５３の基端部と中心電極４の先端突出部４１との間に、放電ギャップＧが形成される。すなわち、本形態においては、突出筒状部５３の基端部が、接地電極として機能する。

突出筒状部５３を含めたプラグカバー５は、例えばニッケル基合金等にて構成することができる。なお、突出筒状部５３は、プラグカバー５の一部として他の部位と一体に構成することができる。また、突出筒状部５３は、プラグカバー５の他の部位とは別部材を、プラグカバー５の本体に接合して構成することもできる。

ハウジング２は、例えば、低炭素鋼等にて構成することができる。また、中心電極４は、耐熱性に優れた金属又は合金からなる母材４２と、その内側に配された熱伝導性に優れた金属又は合金からなる芯材４３とを有する。母材４２は、例えば、ニッケル基合金からなる。芯材４３は、例えば、銅又は銅合金からなる。

次に、本形態の作用効果につき、説明する。
上記内燃機関用のスパークプラグ１において、突出筒状部５３は、傾斜平面５３２を有する。そうすると、図６、図７に示すごとく、側方噴孔５１６から導入されて傾斜平面５３２に当たった気流Ａ１は、傾斜平面５３２にガイドされて、軸方向Ｚの基端側へ導かれやすくなる。これにより、副燃焼室５０内において形成された放電Ｓが基端側へ引き伸ばされやすくなる。その引き伸ばされ拡大した放電により、より大きな初期火炎Ｆが形成されやすく、かつ、副燃焼室５０における、より基端側に初期火炎Ｆを形成しやすくなる。あるいは、副燃焼室５０における、より基端側に初期火炎Ｆを移動させやすくなる。

初期火炎Ｆが副燃焼室５０における、より基端側に形成されると、火炎が成長し噴孔に到達するまでに、副燃焼室５０内の圧力が充分に高まりやすい。その結果、噴孔（すなわち、軸方向噴孔５１１及び側方噴孔５１６）からの火炎ジェットを強化することができ、燃焼効率を向上させることができる。

仮に、突出筒状部５３が略円錐台形状となっている場合、図８に示すように、側方噴孔５１６から導入された気流Ａ１は、突出筒状部５３に当たったときに、周方向に逃げるように流れやすい。そうすると、気流Ａ１は、軸方向Ｚの基端側へ向かうベクトル成分が小さくなりやすい。それゆえ、放電Ｓを基端側へ伸ばしたり、初期火炎Ｆを基端側へ移動させたりする効果が小さくなりやすい。その結果、上述のような火炎ジェットの強化を図りにくい。

これに対して、本形態のスパークプラグ１は、突出筒状部５３が略角錐台形状を有する。それゆえ、図７に示すごとく、側方噴孔５１６から導入された気流Ａ１は、突出筒状部５３の傾斜平面５３２に当たったとき、周方向には逃げにくく、図６に示すごとく、傾斜平面５３２に沿って基端側へ向かいやすい。そうすると、気流Ａ１は、放電ギャップＧ付近においても、基端側に向かうベクトル成分が大きくなる。それゆえ、気流Ａ１が、放電Ｓを基端側へ引き伸ばしたり、初期火炎Ｆを基端側へ移動させたりすることが期待できる。

このような作用効果は、突出筒状部５３の軸直交断面の外形が、複数の凸角部５３１を備えた形状であることにより、得ることができる。つまり、突出筒状部５３の外周面における、複数の凸角部５３１の間に対応する部位は、必ずしも本形態のように平面となるとは限らないが、比較的平坦な面もしくは凹状の面が形成されることとなる。この面が、上述の傾斜平面５３２と同様の機能を果たすこととなる。したがって、後述する実施形態５のように、突出筒状部５３が凹状面を備えた形状であったり、略円錐台形状の一部に略平坦面、凹状面等が形成された形状であったりしても、上述の効果を得ることは可能である。

本形態においては、突出筒状部５３は、軸直交断面の外形が、多角形状である。それゆえ、上述した気流Ａ１を基端側へ向かわせるガイド機能を得やすい。

以上のごとく、本形態によれば、燃焼効率の向上を図ることができる内燃機関用のスパークプラグ及び内燃機関を提供することができる。

（実施形態２）
本形態は、図９～図１１に示すごとく、中心電極４の先端突出部４１に対してプラグ径方向から、放電ギャップＧを介して対向するように配置された接地電極６を有する、スパークプラグ１の形態である。
図１０に示すごとく、軸方向Ｚから見たとき、突出筒状部５３に対する少なくとも一つの側方噴孔５１６の位置は、中心電極４に対する放電ギャップＧの位置と同じ側である。
プラグ径方向は、プラグ中心軸Ｃに直交する直線に沿った方向である。

本形態においては、図９、図１０に示すごとく、接地電極６を、ハウジング２に接合してある。接地電極６は、ハウジング２との接合部から中心電極４に向かってプラグ径方向に向かって突出するように、配設されている。接地電極６は、例えば、ニッケル基合金等にて構成することができる。また、接地電極６は、放電ギャップＧに面する端部に、貴金属チップ６４を接合してある。また、中心電極４における放電ギャップＧに面する部位にも、貴金属チップ４４を接合してある。貴金属チップ４４、６４は、例えば、白金、イリジウム等の金属または合金とすることができる。ただし、貴金属チップ４４、６４を設けない構成とすることもできる。

本形態においては、図９に示すごとく、放電ギャップＧに面する中心電極４及び接地電極６の面は、軸方向Ｚに沿って形成されている。
放電ギャップＧは、中心電極４と突出筒状部５３との間の距離よりも小さい。

本形態において、側方噴孔５１６は、複数個形成されている。そのうちの１個について、図１０に示すごとく、軸方向Ｚから見たとき、突出筒状部５３に対する位置が、中心電極４に対する放電ギャップＧの位置と同じ側に配されている。つまり、図９、図１０において、中心電極４の左側に放電ギャップＧが形成され、突出筒状部５３の左側に側方噴孔５１６が形成されている。

また、本形態におけるスパークプラグ１を備えた内燃機関１０を、図１１に示す。同図に示すように、この内燃機関１０においては、放電ギャップＧが、中心電極４よりも、主燃焼室１１における気流Ａ０の上流側に位置している。ここで、主燃焼室１１における気流Ａ０の上流側とは、スパークプラグ１の先端部付近における気流Ａ０の向きを基準にした上流側を意味する。

内燃機関１０の主燃焼室１１においては、図示を省略する吸気ポート及び排気ポートの位置、その他の諸条件に依存して、気流が発生する。本形態においては、図１１に示すようなタンブル流が気流Ａ０として主燃焼室１１に形成される。この場合、スパークプラグ１の先端部付近における主燃焼室１１内の気流Ａ０の向きは、図１１における左側から右側へ向かう向きとなる。それゆえ、この場合、気流Ａ０の上流側は、図１１における左側ということとなる。したがって、同図において、中心電極４よりも左側に、放電ギャップＧが形成されている。

主燃焼室１１から副燃焼室５０への気流の流入は、複数の側方噴孔５１６及び軸方向噴孔５１１を介して生じ得る。しかし、スパークプラグ１の先端部付近における主燃焼室１１の気流Ａ０の向きに応じて、複数の側方噴孔５１６の間で、気流の強さは変わり得る。すなわち、主燃焼室１１の気流Ａ０の上流側に位置する側方噴孔５１６から導入される気流Ａ１１は、主燃焼室１１の気流Ａ０の下流側に位置する側方噴孔５１６から導入される気流Ａ１２よりも強くなる。

つまり、突出筒状部５３に対して図１１における左側の側方噴孔５１６から導入される気流Ａ１１が強くなりやすい。この気流Ａ１１を利用して、放電ギャップＧに基端側へ向かう気流を生じさせるために、中心電極４に対して図１１における左側の位置に、放電ギャップＧを配置する。なお、内燃機関１０におけるスパークプラグ１の取り付け姿勢は、例えば、プラグホールに形成された雌ネジの切られ方と、スパークプラグ１のハウジング２の雄ネジの切られ方とによって、制御することができる。

その他は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本形態においては、突出筒状部５３とは異なる接地電極６と中心電極４とによって放電ギャップＧを形成することとなる。そのため、放電ギャップＧの調整が比較的行いやすい。また、接地電極６に対して貴金属チップ６４を取り付けやすいため、スパークプラグ１の長寿命化を図りやすい。

また、軸方向Ｚから見たとき、突出筒状部５３に対する位置が、中心電極４に対する放電ギャップＧの位置と同じ側に配されている。これにより、放電Ｓを効果的に基端側へ引き伸ばし、初期火炎を効果的に副燃焼室５０におけるより基端側へ移動させることができる。

また、放電ギャップＧが、中心電極４よりも、主燃焼室１１における気流Ａ０の上流側に位置している。それゆえ、主燃焼室１１の気流Ａ０の上流側に位置する側方噴孔５１６から副燃焼室５０に導入される気流Ａ１１を強くしやすい。それゆえ、中心電極４に対して気流Ａ０の上流側に放電ギャップＧを配しておくことにより、気流Ａ１１によって放電Ｓを基端側に引き伸ばし初期火炎をより基端側に形成する効果が得られやすい。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態３）
本形態は、図１２に示すごとく、放電ギャップＧに面する接地電極６の放電面及び中心電極４の放電面を、軸方向Ｚに対して傾斜させた形態である。
その他は、実施形態２と同様である。
本形態においても、実施形態２と同様の作用効果を奏する。

（実施形態４）
本形態は、図１３に示すごとく、接地電極６をプラグカバー５に接合した形態である。
本形態においては、特に、接地電極６を、突出筒状部５３の一部に接合している。また、接地電極６は、突出筒状部５３から、軸方向Ｚの基端側に立設している。そして、接地電極６の基端部付近と、中心電極４の先端突出部４１とが、プラグ径方向に対向している。つまり、接地電極６の側面と中心電極４の側面との間に、放電ギャップＧが形成されている。
その他は、実施形態２と同様である。本形態においても、実施形態２と同様の作用効果を奏する。

（実施形態５）
本形態は、図１４、図１５に示すごとく、突出筒状部５３の形状を、凹状面を備えた形状とした形態である。
すなわち、突出筒状部５３の外周面における、複数の凸角部５３１の間に対応する部位、換言すると、突出筒状部５３の外周面における複数の稜線５３３の間の部位が、凹状面となっている。

より具体的には、図１４に示す形態は、複数の稜線５３３の間の部位に、凹状面として、凹湾曲面５３２ａを有する。凹湾曲面５３２ａは、プラグ中心軸Ｃに直交する断面の形状が、プラグ中心軸Ｃに向かって凸となるように湾曲した面である。

図１５に示す形態は、複数の稜線５３３の間の部位に、凹状面として、凹屈曲面５３２ｂを有する。凹屈曲面５３２ｂは、プラグ中心軸Ｃに直交する断面の形状が、プラグ中心軸Ｃに向かって凸となるように屈曲した面である。
その他は、実施形態１と同様である。

本形態においては、突出筒状部５３が凹状面（すなわち、凹湾曲面５３２ａ、凹屈曲面５３２ｂ等）を有するため、気流を基端側へ向かわせるガイド機能を、より高めやすくなる。その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。
なお、本形態は、実施形態２等と同様に、接地電極６を設けたスパークプラグ１に適用することもできる。

また、上記各実施形態においては、突出筒状部５３の軸直交断面の外形（図２参照）において、４つの凸角部５３１を備える形状を示したが、本開示は、これに限られるものではない。すなわち、突出筒状部５３の軸直交断面の外形は、凸角部が３つ以下となる形状であってもよいし、凸角部が５つ以上となる形状であってもよい。ただし、凸角部の間に相当する部位に形成される略平坦面もしくは凹状面が、気流をガイドする機能を発揮できる程度の幅を有することが望まれる。かかる観点から、例えば、突出筒状部５３を略正多角錐台形状とする場合には、軸直交断面の外形における凸角部は、３～８個とすることが好ましい。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１ スパークプラグ
２ ハウジング
３ 絶縁碍子
４ 中心電極
５ プラグカバー
５０ 副燃焼室
５１１ 軸方向噴孔
５１６ 側方噴孔
５３ 突出筒状部
５３１ 凸角部

Claims (4)

1. 筒状の絶縁碍子（３）と、
   該絶縁碍子の内周側に保持されると共に該絶縁碍子から先端側に突出する先端突出部（４１）を有する中心電極（４）と、
   上記絶縁碍子を内周側に保持する筒状のハウジング（２）と、
   上記先端突出部が配される副燃焼室（５０）を覆うよう上記ハウジングの先端部に設けられたプラグカバー（５）と、を有し、
   上記プラグカバーは、先端壁部（５４）から上記副燃焼室へ向かって突出すると共に内側に軸方向噴孔（５１１）を備えた突出筒状部（５３）を有し、
   上記プラグカバーにおける上記突出筒状部よりも外周側に、上記副燃焼室と外部とを連通させる側方噴孔（５１６）が形成されており、
   該突出筒状部は、プラグ軸方向（Ｚ）に直交する断面の外形が、複数の凸角部（５３１）を備えた形状であり、
   上記プラグ軸方向から見たとき、上記突出筒状部における、複数の上記凸角部のうちの互いに隣り合う２つの上記凸角部の間の外周面に面する位置に、上記側方噴孔が形成されており、
   かつ、上記側方噴孔の中心軸の延長線である噴孔軸（Ｄ）が、上記突出筒状部の外周面と交わる、内燃機関用のスパークプラグ（１）。
2. 上記突出筒状部は、プラグ軸方向に直交する断面の外形が多角形状である、請求項１に記載の内燃機関用のスパークプラグ。
3. 上記中心電極の上記先端突出部に対してプラグ径方向から、放電ギャップ（Ｇ）を介して対向するように配置された接地電極（６）を有し、プラグ軸方向から見たとき、上記突出筒状部に対する少なくとも一つの上記側方噴孔の位置は、上記中心電極に対する上記放電ギャップの位置と同じ側である、請求項１又は２に記載の内燃機関用のスパークプラグ。
4. 請求項３に記載の内燃機関用のスパークプラグを備えた内燃機関（１０）であって、
   上記放電ギャップが、上記中心電極よりも、上記内燃機関の主燃焼室（１１）における気流（Ａ０）の上流側に位置している、内燃機関。

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