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【発明の名称】 内燃機関用スパークプラグ
【発明者】 【氏名】川島 泰

【要約】 【課題】長時間使用での横飛び、プレイグニッション、絶縁破壊の防止して接地電極の折損、酸化、溶損等の信頼性を維持する。

【解決手段】火花位置長さHmmを6.5≦H≦10、火花ギャップGmmを1.1≦G≦2.0、ハウジング位置長さJmmと火花位置長さHmmと絶縁碍子位置長さFmmとの関係をJ≦F≦H−2、中心電極チップ7aの軸直交面積S1mmを0.07≦S1≦0.95、中心電極チップ7aの材質を融点2000℃以上の貴金属もしくはその合金とし、接地電極チップ5aの材質を融点1700℃以上の貴金属もしくはその合金とし、火花ギャップGと、中心電極チップ7aの軸直交面積S1mmと、ハウジングの内径D1と絶縁碍子先端の外径D2とのポケット隙間Pmmとの関係をP≧1.1×(G+0.0345(S1)−1.2418+0.0327(S2)−1.2418)に設定する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
中心電極と、
前記中心電極の外周に配設された絶縁碍子と、
前記絶縁碍子の外周にカシメ固定された金属製ハウジングと、
前記ハウジングの先端に取り付けられた接地電極と、
前記中心電極の先端に設けられた中心電極チップと、
前記接地電極に設けられた接地電極チップとを備え、
前記中心電極チップと前記接地電極チップとの間で火花ギャップを形成し内燃機関シリンダーヘッドAにねじ込み固定されるスパークプラグであって、
前記シリンダーヘッドAの端面から燃焼室内に突き出た前記中心電極チップの先端の火花位置長さHを6.5mm≦H≦10mm、
前記火花ギャップGを1.1mm≦G≦2.0mm、
前記シリンダーヘッドAの端面から燃焼室内に突き出た前記ハウジングの先端までのハウジング位置長さJ(mm)、前記中心電極チップの先端の火花位置長さH(mm)、前記シリンダーヘッドAの端面から燃焼室内に突き出た前記絶縁碍子の先端の絶縁碍子位置長さF(mm)との関係をJ≦F≦H−2mm、
前記中心電極チップの軸直交断面積S1を0.07mm≦S1≦0.95mm
前記中心電極チップの材質を融点2000℃以上の貴金属もしくはその合金とし、
前記接地電極チップの材質を融点1700℃以上の貴金属もしくはその合金とし、
前記火花ギャップGと、前記中心電極チップの軸直交断面積S1(mm)と、前記接地電極チップの軸直交断面積S2(mm)と、前記ハウジングの内径と前記絶縁碍子先端の外径とのポケット隙間P(mm)との関係を
P≧1.1×(G+0.0345(S1)−1.2418+0.0327(S2)−1
.2418)に設定したことを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
【請求項2】
前記火花ギャップGを1.3mm≦G≦2.0mmに設定したことを特徴とする請求項1記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項3】
前記絶縁碍子の先端の肉厚tを0.3mm≦t≦1.0mm、
前記中心電極の径D3を1.9mm≦D3≦2.8mm、
前記ハウジングと前記絶縁碍子との係合部から前記絶縁碍子の先端までの脚長Lを10mm≦L≦19mmに設定したことを特徴とする請求項1又は2記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項4】
前記ハウジングの外周に設けられ前記シリンダーヘッドAのメネジ部にネジ込むための取付け用オネジ部の径Mを8mm≦M≦12mm、
前記取付け用ネジ部の反燃焼室側外周に装着されたガスケットの上端面から前記シリンダーヘッドAのメネジ部先端までのネジ長さRを25mm≦R、
前記ハウジングに設けられた工具取付部の2面幅QをQ≦16mm、
前記絶縁碍子の頭部の径Zを7mm≦Zに設定したことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに一つに記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項5】
前記シリンダーヘッドAの端面から前記接地電極の先端面までの接地電極位置長さK(mm)と、前記接地電極の長手方向に直交する断面積S3(mm)との関係を2mm≦S3≦{(K−9.2)/1.4}mmに設定したことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項6】
前記ハウジングの先端部は前記シリンダーヘッドAの端面から前記燃焼室内に突き出たシュラウドを有していることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項7】
前記シュラウドの突き出長さJと、前記火花位置長さH(mm)との関係を1mm≦J≦H−2mmに設定したことを特徴とする請求項6記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項8】
前記シュラウドの突き出長さJと、前記火花位置長さH(mm)との関係を2.5mm≦J≦H−2mmに設定したことを特徴とする請求項6記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項9】
前記接地電極チップは前記接地電極の面から前記中心電極チップに対向する方向に突き出ていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一つに記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項10】
前記接地電極チップの突き出し量Uを0.3mm≦U≦1.5mm、
前記接地電極チップの軸直交断面積S2を0.07mm≦S2≦0.95mmに設定したことを特徴とする請求項9記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項11】
前記中心電極チップを、Irを50重量%以上含有したIr合金、
前記接地電極チップを、Ptを50重量%以上含有したPt合金としたことを特徴とする請求項1〜10のいずれか一つに記載の内燃機関用スパークプラグ。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は内燃機関用スパークプラグ、特に火花ギャップが長く、発火部の燃焼室内への突き出し量が大きいスパークプラグに係り、ガソリン内燃機関に好適である。
【背景技術】
【0002】
従来より内燃機関(エンジン)の冷却性改良(ウォータジャケットの改善)、エンジンヘッド構造の複雑化に伴いスパークプラグの取付けスペースが減少しているため、スパークプラグのエンジン取付け用ネジの径の縮小が求められている。ネジ径を縮小すると絶縁碍子の先端部の薄肉化による絶縁破壊、ポケット隙間(絶縁碍子と接地電極側ハウジングとの隙間)の縮小による横飛火(中心電極から絶縁碍子の表面を伝ってハウジング端面へ放電する現象)と言った問題が発生する。
【0003】
これらの問題に対応すべく、下記特許文献1には、取付け用ネジ径が12mm以下のスパークプラグにおいて絶縁碍子先端部の肉厚Cを1.1mm以上とすることで耐電圧を高め、さらに中心電極の径を小さくすることでポケットの隙間Eを大きくし横飛火を防止する構造が記載されている。
【0004】
しかしながら、下記特許文献1に記載の上記構造では、電極(中心電極、接地電極)が放電によって消耗して火花ギャップが拡大した時に横飛火を完全に防止することはできない。すなわち、下記特許文献1に記載の構造は、エンジンへの使用が比較的短い時間では横飛びの防止効果はあるものの、長時間使用して電極が消耗して火花ギャップが拡大した時には横飛火現象が発生してしまい、スパークプラグとしての本来機能すなわち長時間使用において火花ギャップが消耗してその機能を損なうという問題がある。
【0005】
また、近年の低燃費/低エミッションニーズにより更なる高着火性を実現すべく、ワイドギャップ及び突き出しタイプ(エンジンの燃焼室中央へスパークプラグの発火部を突き出したタイプ)のスパークプラグが求められており、やはり下記特許文献1に記載の上記構造ではワイドギャップタイプでは横飛火が発生してしまうだけでなく、プレイグニッションの防止のため発火部をあまり突き出すことは困難である。更に、突き出しタイプは、接地電極が長くなるため接地電極の折損、酸化、溶損と言った問題も顕在化してきた。
【特許文献1】特開2000−243535号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、火花ギャップ及び絶縁碍子の燃焼室への突き出し量が大きい内燃機関用スパークプラグでも、長時間使用での横飛火、プレイグニッション、絶縁破壊の防止ができ接地電極の折損、酸化、溶損等の信頼性を維持することのできる内燃機関用スパークプラグを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
請求項1に係る発明では、
中心電極と、
前記中心電極の外周に配設された絶縁碍子と、
前記絶縁碍子の外周にカシメ固定された金属製ハウジングと、
前記ハウジングの先端に取り付けられた接地電極と、
前記中心電極の先端に設けられた中心電極チップと、
前記接地電極に設けられた接地電極チップとを備え、
前記中心電極チップと前記接地電極チップとの間で火花ギャップを形成し内燃機関シリンダーヘッドAにねじ込み固定されるスパークプラグであって、
前記シリンダーヘッドAの端面から燃焼室内に突き出た前記中心電極チップの先端の火花位置長さHを6.5mm≦H≦10mm、
前記火花ギャップGを1.1mm≦G≦2.0mm、
前記シリンダーヘッドAの端面から燃焼室内に突き出た前記ハウジングの先端までのハウジング位置長さJ(mm)、前記中心電極チップの先端の火花位置長さH(mm)、前記シリンダーヘッドAの端面から燃焼室内に突き出た前記絶縁碍子の先端の絶縁碍子位置長さF(mm)との関係をJ≦F≦H−2mm、
前記中心電極チップの軸直交断面積S1を0.07mm≦S1≦0.95mm
前記中心電極チップの材質を融点2000℃以上の貴金属もしくはその合金とし、
前記接地電極チップの材質を融点1700℃以上の貴金属もしくはその合金とし、
前記火花ギャップG(mm)と、前記中心電極チップの軸直交断面積S1(mm)と、前記接地電極チップの軸直交断面積S2(mm)と、前記ハウジングの内径と前記絶縁碍子先端の外径とのポケット隙間P(mm)との関係を
P≧1.1×(G+0.0345(S1)−1.2418+0.0327(S2)−1
.2418)に設定している。
【0008】
上記構成によれば、高着火性を維持でき、接地電極の温度が上昇し折損、酸化、溶損という問題を解決し接地電極の耐熱性を確保することができると共に、火花ギャップGが消耗により拡大しても上記設定で横飛火を完全に防止できる。
【0009】
請求項2に係る発明では、
前記火花ギャップGを1.3mm≦G≦2.0mmに設定している。
【0010】
上記構成によれば、更に高着火性を確保することができる。
【0011】
請求項3に係る発明では、
前記絶縁碍子の先端の肉厚tを0.3mm≦t≦1.0mm、
前記中心電極の径D3を1.9mm≦D3≦2.8mm、
前記ハウジングと前記絶縁碍子との係合部から前記絶縁碍子の先端までの脚長Lを10mm≦L≦19mmに設定している。
【0012】
上記構成によれば、絶縁碍子の耐電圧を確保すると共に、耐プレイグニッション性を確保することができる。
【0013】
請求項4に係る発明では、
前記ハウジングの外周に設けられ前記シリンダーヘッドAのメネジ部にネジ込むための取付け用オネジ部の径Mを8mm≦M≦12mm、
前記取付け用ネジ部の反燃焼室側外周に装着されたガスケットの上端面から前記シリンダーヘッドAのメネジ部先端までのネジ長さRを25mm≦R、
前記ハウジングに設けられた工具取付部の2面幅QをQ≦16mm、
前記絶縁碍子の頭部の径Zを7mm≦Zに設定している。
【0014】
上記構成によれば、熱価や横飛火性能を維持すると共に、内燃機関の冷却水のウォータジャケットスペースの確保、吸排気バルブの挟み角を狭くすることができ、プラグホールの内径も小さくできる。
【0015】
請求項5に係る発明では、
前記シリンダーヘッドAの端面から前記接地電極の先端面までの接地電極位置長さK(mm)と、前記接地電極の長手方向に直交する断面積S3(mm)との関係を2mm≦S3≦{(K−9.2)/1.4}mmに設定している。
【0016】
上記構成によれば、接地電極の酸化腐食を防止できる。
【0017】
請求項6に係る発明では、
前記ハウジングの先端部は前記シリンダーヘッドAの端面から前記燃焼室内に突き出たシュラウドを有している構造である。
【0018】
上記構成によれば、ハウジングの先端部をシュラウド形状にすることにより、接地電極の温度低減効果が得られる。
【0019】
請求項7に係る発明では、
前記シュラウドの突き出長さJと、前記火花位置長さH(mm)との関係を1mm≦J≦H−2mmに設定している。
【0020】
上記構成によれば、着火性を確保できる。
【0021】
請求項8に係る発明では、
前記シュラウドの突き出長さJと、前記火花位置長さH(mm)との関係を2.5mm≦J≦H−2mmに設定している。
【0022】
上記構成によれば、接地電極の温度が更に低下し、耐酸化限界の余裕度が増加し接地電極の長さが短くなり耐折損性が有利になる。
【0023】
請求項9に係る発明では、
前記接地電極チップを前記接地電極の面から前記中心電極チップに対向する方向に突き出している。
【0024】
上記構成によれば、火炎核の成長を妨げないので、着火性は更に向上する。
【0025】
請求項10に係る発明では、
前記接地電極チップの突き出し量Uを0.3mm≦U≦1.5mm、
前記接地電極チップの軸直交断面積S2を0.07mm≦S2≦0.95mmに設定している。
【0026】
上記構成によれば、接地電極チップの突き出すことにより、着火性は大幅に向上すると共に、接地電極チップの大幅な温度上昇による異常消耗、放電時の火炎核の消炎作用を阻止できる。
【0027】
請求項11に係る発明では、
前記中心電極チップを、Irを50重量%以上含有したIr合金、
前記接地電極チップを、Irを50重量%以上含有したPt合金としている。
【0028】
上記構成によれば、前記中心電極チップ側は火花放電による消耗が多いが、高融点のIr合金であるため、中心電極チップの火花放電による消耗を少なくすることができ、前記接地電極チップ側は高温酸化消耗が多いが、耐酸化性に優れたPt合金であるため、接地電極チップの酸化腐食を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0029】
次に図1、図2により本発明の実施形態を説明する。図1は本発明になる内燃機関用スパークプラグをガソリン内燃機関のシリンダーヘッドにねじ込み装着した状態を示す断面図、図2は要部(発火部)の拡大断面図である。
【0030】
本発明になるスパークプラグ1はシリンダーヘッドAにねじ込んで取付けられる。すなわち、シリンダーヘッドAに形成されたメネジ部aに金属製ハウジング2の先端側外周に形成されたオネジ部3をねじ込み、ガスケット4がシリンダーヘッドAの上端面に当接して所定の締付けトルクで作用して固定される。
【0031】
シリンダーヘッドAの内部には、冷却水を通すウォータジャケットbや吸排気バルブcが配置されている。近年の内燃機関性能向上のために構造が複雑化し、ウォータジャケットbがスパークプラグ1近傍に配置され、吸排気バルブcの挟み角が狭くなっている。
【0032】
ハウジング2は円環状をなし燃焼室B側の端面2aは開放しており、端面2aから燃焼室B内に突き出た接地電極5が形成されている。ハウジング2に内側には円筒状の絶縁碍子6が配設され、その中心部に中心電極7が配設されている。
【0033】
ハウジング2と絶縁碍子6は、燃焼室B側に形成された各段部2b、6aで係合しハウジング2の反燃焼室B側で絶縁碍子6にカシメ固定されている。
【0034】
中心電極7の燃焼室B側の先端には、中心電極チップ7aが、また、接地電極5の中心電極チップ7aと対向する側に接地電極チップ5aがそれぞれ固着してある。中心電極チップ7aの材質は、融点が2000℃以上の貴金属具体的にはIr(イリジウム)もしくはIrを50重量%以上含有した合金であり、接地電極チップ5aの材質は、融点が1700℃以上の貴金属具体的にはPt(白金)もしくはPtを50重量%以上含有した合金である。中心電極チップ7aは高融点材質であるため火花放電による消耗が少ない。また、接地電極チップ5aは耐酸化性を有しているため高温酸化雰囲気で酸化されにくい。
【0035】
ハウジング2の反燃焼室B側には、スパークプラグ1をシリンダーヘッドAのプラグホールeからメネジ部aにねじ込む時に図示しない工具(プラグレンチ)を嵌め回転させるための工具取付け部2cが形成されており、具体的形状は図3及び図4に示すように六角部及びBi−Hex(12角部)である。Bi−Hexはハウジング2の肉厚が六角部より厚くなるため強度確保に優れている。
【0036】
次に本発明のスパークプラグ1をシリンダーヘッドAへ取付けた状態において、各部の長さや位置関係の表示符号を説明する。
H:シリンダーヘッドAの燃焼室B側の端面Xから燃焼室Bへ突き出した中心電極7の中心電極チップ7aまでの火花位置長さ、
G:中心電極チップ7aと接地電極チップ5aとの間の初期火花キャップ、
J:シリンダーヘッドAの端面Xから燃焼室B内に突き出たハウジング2の先端2aまでのハウジング位置長さ(シュラウド形状、寸法)、
F:シリンダーヘッドAの端面Xから燃焼室B内に突き出た絶縁碍子6の先端6bまでの絶縁碍子位置長さ、
P:ハウジング2の内径と絶縁碍子6の先端の外径とのポケット隙間、
L:ハウジング2と絶縁碍子6の係合部2b、6aから絶縁碍子6の先端6bまでの脚長、
Q:工具取付け部2cの2面幅、
R:ハウジング2の取付け用オネジ部3の反燃焼室B側外周に装着されるガスケット4の上端面からシリンダーヘッドAのメネジ部a先端までのシリンダーヘッドA端面位置長さ、
K:シリンダーヘッドAの端面Xから接地電極5の先端面までの接地電極位置長さ、
M:ハウジング2の取付け用オネジ部3のネジ径、
Z:絶縁碍子6の頭部6cの外径、
U:接地電極チップ5aの突き出し量
S1:中心電極チップ7aの軸直交断面積、
S2:接地電極チップ5aの軸直交断面積、
S3:接地電極5の長手方向に直交する断面積、
D1:ハウジング2の内径、
D2:絶縁碍子6の先端6bの外径、
D3:中心電極7の外径、
d1:中心電極チップ7aの外径、
d2:接地電極5aの外径、
t:絶縁碍子6の先端6bの肉厚、
をそれぞれ表し、長さの単位はmm、面積の単位はmmである。
【0037】
次に本発明の各実施例を図に基づき説明する。各実施例は種々の実験によって確立されている。図5は、着火性評価結果を表すもので、上記火花位置長さHと限界空燃比(空燃比17以上)との関係を示す実験結果のグラフで、6シリンダー(L6)、2000ccのエンジンで評価条件を600rpmのアイドリングで行ったもので、スパークプラグの各部の評価仕様は図中に表示するとおりである。火花ギャップGは条件設定の最も悪い値の1.1mmとしている。この図5の着火性評価結果から火花位置Hは、6.5mm未満では着火性が大幅に低下する。また、10mmを超えると接地電極5の温度が上昇し折損、酸化、溶損等の問題が発生する。従って、火花位置長さHを6.5mm≦H≦10mmに設定すれば、高着火性を維持でき、接地電極5の耐熱性を確保できる。
【0038】
図6は、着火性評価結果を表すもので、上記初期火花ギャップGと限界空燃比(空燃比17以上)との関係を示す実験結果のグラフで、6シリンダー(L6)、2000ccのエンジンで評価条件を600rpmのアイドリングで行ったもので、スパークプラグの各部の評価仕様は図中に表示するとおりである。なお、図中各符号は上述したもので、数値の単位については長さを表す符号はmm、面積を表す符号はmmを示す。火花位置長さHは条件設定の最も悪い値の6.5mmとしている。この図6の着火性評価結果から火花ギャップGは、1.1mm未満では着火性が大幅に低下する。また、2.0mmを超えると火花ギャップGが長時間の使用による消耗で拡大した時に横飛火を完全に防止することができない。よって、初期火花ギャップGは1.1mm≦G≦2.0mmに設定され着火性を維持でき、横飛火を完全に防止できる。なお、火花ギャップGは1.1mm以上必要であるが好ましくは1.3mm≦G≦2.0mmに設定すれば更に高着火性を確保できる。これを図7で説明する。
【0039】
図7は、着火性評価結果を表すもので、上記火花位置長さHと上記絶縁碍子位置長さFとの差(H−F)すなわち絶縁碍子6の先端6bから中心電極チップ7aまでの長さと限界空燃比(空燃比17以上)との関係を示す実験結果のグラフで、6シリンダー(L6)、2000ccのエンジンで評価条件を600rpmのアイドリングで行ったもので、スパークプラグの各部の評価仕様は図中に表示するとおりである。なお、図中各符号は上述したもので、数値の単位については長さを表す符号はmm、面積を表す符号はmmを示す。火花ギャップGは条件設定の最も悪い値の1.1mmと1.3mmとしている。また、パラメータとして上記火花位置長さHの設定範囲の最小値6.5と最大値10について行っている。この図7の着火性評価結果から上記差(H−F)が1mm未満では着火性が大幅に低下するので1mm以上が必要である。火花ギャップGを1.3mmとした場合は、図7の着火性評価結果に示すようの火花ギャップGが1.1mmの場合より限界空燃比が上昇し更に着火性が向上し高着火性を確保できる。また。上記絶縁碍子位置長さFが上記ハウジング位置長さJより小さいと着火性が大幅に低下するため、ハウジング位置長さJ≦絶縁碍子位置長さFが好ましい。
【0040】
また、実験によれば、中心電極チップ7aの軸直交断面積S1が0.07mm未満では当該中心電極チップ7aの温度が大幅に上昇して異常消耗を起こし、耐消耗性が低下する。また、0.95mmを超えると当該中心電極チップ7aの軸直交断面積S1が大きくなり、放電時の火炎核が当該中心電極チップ7aへの熱移動による消炎作用により、着火性が悪くなる。従って、中心電極チップ7aの軸直交断面積S1は0.07mm≦S1≦0.95mm(断面が円形の場合は換算し、0.3mm≦d1≦1.1mm)に設定される。
【0041】
中心電極チップ7a及び接地電極チップ5aの材質は、高融点が良い。融点温度は中心電極チップ7aが2000℃以上、接地電極チップ5aは1700℃以上が好ましい。中心電極チップ7aの融点温度が2000℃以上を必要とする理由は、通常中心電極7側がマイナス極性であり、放電火花による消耗が多いためである。
【0042】
上記ポケット隙間Pは長時間使用による耐久後の横飛び性を考慮した寸法であり、耐久後の消耗は、中心電極チップ7a、接地電極チップ5aの径d1、d2及びその消耗量で決定される。図8(a)は中心電極チップ7a、(b)は接地電極チップ5aについてそれそれ10.5万マイル走行後の各チップの軸直交断面積S1、S2と消耗量との関係を示すもので、中心電極チップ7aの融点温度2000℃以上、接地電極チップ5aの融点温度1700℃以上の各チップ材質4種類で実験した結果である。なお、グラフは最も消耗した材質の値(中心電極チップ7aの融点温度2000℃、接地電極チップ5aの融点温度1700℃を使用)を結んだ曲線を示す。
【0043】
実験によって得られた消耗量ΔGは、中心電極チップ7aの消耗量をΔG1とし、接地電極チップ5aの消耗量をΔG2とすると、
ΔG=ΔG1+ΔG2=0.0345(S1)−1.2418+0.0327(S2)
−1.2418なる関係式が導き出され、10.5万マイル走行後の火花ギャップGの拡
大量ΔGとして示される。すなわち、G+ΔGが10.5万マイル走行後の火花ギャップとなる。
【0044】
図9は、上記ポケット隙間Pと横飛火発生率との関係の実験結果を示すものであり、消耗後のギャップ(G+ΔG)をパラメータとしている。4シリンダー(L4)、2000ccのエンジンで評価条件をWOT(Wide Open Throttle:スロットル全開状態)×1000rpmで行ったもので、スパークプラグの各部の評価仕様は図中に表示するとおりである。なお、図中各符号は上述したもので、数値の単位については長さを表す符号はmm、面積を表す符号はmmを示す。
【0045】
この結果、ポケット隙間Pが消耗後のギャップ(G+ΔG)の1.1倍以上であれば横飛火を完全に防止できる(各パラメータのグラフについてポケット隙間Pの値が(G+ΔG)の1.1倍の値で横飛火発生率=0となる)ことが判明した。例えば、中心電極チップ7aの軸直交断面積S1=0.126(d1=0.4)、接地電極チップの軸直交断面積S2=0.126(d2=0.4)、初期ギャップG=1.5の場合(図中黒丸のグラフ)、10.5マイル走行後の火花ギャップ(G+ΔG)は2.38となり、横飛火を完全に防止(横飛火発生率=0)するためには、ポケット隙間Pが2.62(2.38×1.1)以上あればよい。その他のチップサイズ(図中黒四角、黒三角のグラフ)でも同様の結果が得られた。
【0046】
上記絶縁碍子6の先端の肉厚tは、0.3mm未満では耐電圧が確保できず、肉厚tが1.0mmを超えるとヒートマスが増加し、新気冷却効果が小さくなりプレイグニッションし易くなるため、0.3≦t≦1.0が好ましい。
【0047】
次に上記脚長Lの設定について図10、11により説明する。図10は、絶縁碍子6の先端の肉厚tとプレイグニッションを表す点火時期進角との関係の実験結果を示すのもで、脚長さLをパラメータとしている。スパークプラグの各部の評価仕様は図中に表示する
とおりである。なお、図中各符号は上述したもので、数値の単位については長さを表す符号はmm、面積を表す符号はmmを示す。この結果、脚長Lが長くなるにつれ進角が小さくなり、すなわちプレイグニッションが起こりやすくなり、図10に示すように脚長L=19mmを超えると耐プレイグニッション性を確保できない。図11は、脚長Lとくすぶり汚損との関係を示す試験結果を示すものである。この試験は、JIS D1606 5.2低負荷適合試験(1)くすぶり汚損試験によるもので、4シリンダー(L4)、2000ccエンジンで行った結果である。この結果、脚長Lが10mm未満では耐くすぶり性を確保できない。このため、脚長Lは10mm≦L≦19mmに設定される。
【0048】
図12は、上記中心電極7の径D3とプレイグニッションを表す点火時期進角との関係の実験結果を示すのもで、スパークプラグの各部の評価仕様は図中に表示するとおりである。なお、図中各符号は上述したもので、数値の単位については長さを表す符号はmm、面積を表す符号はmmを示す。この結果、中心電極7の径D3がD3=1.9mm未満では、熱伝導が悪化するため耐プレイグニッション性を確保できない。一方、中心電極7の径D3がD3=2.8mmを超えると絶縁碍子6の外径も大きくなり、ハウジング2の内径寸法が定まっているため上記ポケット隙間Pを確保できない。好ましくは上記取付けオネジ部3のネジ径MがM=12mmの場合、中心電極7の径D3は2.5mm以下、M=10mmの場合、中心電極7の径D3は2.3mm以下が好ましい。この場合、絶縁碍子6の碍子耐電圧を確保するためには、例えば、30kV/mm以上の耐電圧を持つ絶縁碍子を用いればよい。
【0049】
上記取付けオネジ部3のネジ径Mは、内燃機関の小型化の要求によりM=12mm以下が好ましい。M=8mm未満の場合は、熱価、横飛火性能で成り立たない。
【0050】
上記シリンダーヘッドA端面位置長さRは、内燃機関を冷却するためのウォータジャケットbのスペース確保や吸排気バルブcの挟み角を狭くするため、長くし25mm以上とするが、絶縁碍子が長くなると加工上曲がりやすくなるため、好ましくは35mm以下とする。従って、シリンダーヘッドA端面位置長さRは25mm≦R≦35mmに設定される。
【0051】
上記ハウジング2の工具取付け部2cの二面幅Qは、内燃機関の小型化によりプラグホールeの内径も小さくなり、図3に示す六角部、図4に示すBi−Hex(12角部)の場合でも16mm以下が好ましい。なお、上記Bi−Hexはプラグ装着時の締付けトルクに対する強度が六角部より優れているので強度確保の観点からBi−Hexを採用することもできる。また、上記絶縁碍子6の頭部6cの径Zは、強度上Z=7mm以上を必要とする。
【0052】
図13は、上記接地電極位置長さKと酸化状態を表す接地電極5の温度との関係の実験結果を示すもので、上記ハウジング位置長さJをJ=0すなわちハウジング2の燃焼室B内への突き出しがなくシリンダーヘッドAの端面Xと同一面の状態であり、接地電極5の長手方向に直交する断面積S3をパラメータとしている。なお、図中符号S3は上述したもので、数値の単位はmmを示す。実験結果によれば、着火性限界を保つために接地電極位置長さKをK=8.5mm以上として横断面積S3がS3=1mm未満の場合は接地電極5の耐酸化限界(接地電極5が酸化により腐食に至る限界)1050℃を超えるため採用できない。長手方向に直交する断面積S3が大きくなる(S3=2、4、5mm)につれ耐酸化限界1050℃に至る接地電極位置長さKが長くなる。すなわち燃焼室B内への接地電極5の突き出し量が大きくなることが判る。そしてこの実験により耐酸化限界1050℃に至る接地電極5の長手方向に直交する断面積S3と接地電極位置長さKとの間にK(mm)=1.4S3(mm)+9.2(mm)なる関係式が得られた。この関係を図14に示す。従って、着火性限界を考慮して接地電極5の長手方向に直交する断面積S3は、2mm以上を必要とし接地電極位置長さKの長さに応じ、
S3(mm)≦(K(mm)−9.2(mm))/1.4なる条件式で長手方向に直交する断面積S3を設定すればよい。すなわち、2mm≦S3(mm)≦(K(mm)−9.2(mm))/1.4となる。
【0053】
図15は、上記ハウジング位置長さJすなわちシュラウド形状(シュラウド形成程度)と耐酸化限界(空燃比17以上)を表す接地電極5の温度との関係の実験結果を示す。スパークプラグの各部の評価仕様は図中に表示するとおりである。なお、図中各符号は上述したもので、数値の単位については長さを表す符号はmm、面積を表す符号はmmを示す。この結果、シュラウドの形状すなわちハウジング位置長さJが1mm以上あれば接地電極5の温度低減効果があるため、シュラウドの形状(ハウジング位置長さ)JはJ≧1mm以上必要で、図15に示すように好ましくはJ≧2.5mmとすると接地電極の温度が更に低下し、耐酸化限界の余裕度が増加し接地電極5の長さが短くなり耐折損性も有利になる。
【0054】
上記シュラウドの限界寸法(上限寸法)Jは、着火性を確保するため上記火花位置長さHに対し、J(mm)≦H(mm)−2mmになるように設定するのが望ましい。これを図16に示す。図16は、火花位置長さHとハウジング位置長さ(シュラウドの長さ)Jとの差(H−J)と着火性を表す限界空燃比(空燃比17以上)との関係の実験結果を示すもので、火花位置長さH及び火花ギャップGをパラメータ(火花位置長さHの設定最大値10mmと最小値6.5mm、火花ギャップGは1、1mmと1、3mm)としている。6シリンダー(L6)、2000ccエンジンで、評価条件600rpmのアイドリングで行ったものである。スパークプラグの各部の評価仕様は図中に表示するとおりである。なお、図中各符号は上述したもので、数値の単位については長さを表す符号はmm、面積を表す符号はmmを示す。この結果、火花位置長さHとハウジング位置長さ(シュラウドの長さ)Jとの差(H−J)が2mm以上あることが望ましいことが判明した。シュラウドの形状と限界寸法を考慮すると、シュラウド寸法Jは、1mm≦J≦H(mm)−2mmに設定される。なお、好ましくはシュラウド寸法Jを上述のように2.5mm≦J≦H(mm)−2mmに設定するのが好い。
【0055】
接地電極チップ5aは、接地電極5の面から中心電極チップ7aに対向する方向に突き出ており、この突き出しにより火炎核の成長を妨げないので着火性は更に向上する。接地電極チップ5aが接地電極5の面から突き出ていない場合は、火炎核の熱が接地電極5に伝導し火炎核の成長が妨げられる。
【0056】
接地電極チップ5aの突き出し量Uを0.3mm以上とすると着火性は大幅に向上する。当該接地電極チップ5aでのヒートスポット制限により1.5mm以下とするのが望ましい。また、接地電極チップ5aの軸直交断面積S2は、0.07mm未満では、接地電極チップ5aの温度が大幅に上昇し、異常消耗を起こし、耐消耗性が悪化する。一方、軸直交断面積S2が0.95mmを超えるとその面積の大きさのため熱伝導量が大きく放電時の火炎核が消炎作用により着火性が悪化する。従って、接地電極チップ5aの軸直交断面積S2は0.07mm≦S2≦0.95mm(断面が円形の場合は換算し、0.3mm≦d2≦1.1mm)に設定される。
【0057】
中心電極チップ7aは、通常マイナス極性であるため火花放電による消耗が多く高融点のIrもしくはIrを50重量%以上含有した合金が好ましい。接地電極チップ5aは、高温酸化消耗が多いため、耐酸化性に優れたPtもしくはPtを50重量%以上含有した合金が好ましい。
【0058】
接地電極5の温度を低下させる手段として、図17に示すように、スラント形状にすることも有効な手段である。接地電極5をスラント形状にすることにより接地電極5の全長が短くなり、受ける熱量が少なくなると共に熱伝導も良好となり耐酸化性が改善される。
【0059】
以上述べたように本発明になる内燃機関用スパークプラグにおいては、各部に寸法、材質を設定することによって、10.5万マイル走行による長時間使用において中心電極チップ、接地電極チップの消耗による火花ギャップが拡大しても着火性を確保して横飛火、絶縁碍子の破壊を防止でき、接地電極の耐酸化限界をクリヤーすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0060】
【図1】本発明になるスパークプラグを内燃機関のシリンダーヘッドに装着した状態の縦断面図である。
【図2】図1における本発明スパークプラグの要部拡大縦断面図である。
【図3】本発明スパークプラグの工具取り付け部としての六角部の平面図である。
【図4】(a)、(b)は本発明スパークプラグの工具取り付け部としてのBi−Hexの正面図、平面図である。
【図5】本発明の着火性評価結果の説明に供するもので、火花位置長さHと限界空燃比との関係を示すグラフである。
【図6】本発明の着火性評価結果の説明に供するもので、火花ギャップGと限界空燃比との関係を示すグラフである。
【図7】本発明の着火性評価結果の説明に供するもので、絶縁碍子先端から中心電極チップまでの長さ(H−F)と限界空燃比との関係を示すグラフである。
【図8】本発明の説明に供するもので、(a)は中心電極チップの横断面積S1と当該チップの走行後の消耗量ΔG1との関係を示すグラフ、(b)は接地電極チップの軸直交断面積S2と当該チップの走行後の消耗量ΔG2との関係を示すグラフである。
【図9】本発明の説明に供するもので、ポケット隙間Pと横飛び発生率との関係を示すグラフである。
【図10】本発明の説明に供するもので、絶縁碍子先端の肉厚tと点火時期との関係を示すグラフである。
【図11】本発明の説明に供するもので、絶縁碍子脚長Lと当該脚部の絶縁抵抗との関係を示すグラフである。
【図12】本発明の説明に供するもので、中心電極の径d1と点火時期との関係を示すグラフである。
【図13】本発明の説明に供するもので、接地電極位置長さKと接地電極の温度との関係を示すグラフである。
【図14】本発明の説明に供するもので、接地電極の長手方向に直交する断面積S3と接地電極位置長さKとの関係を示すグラフである。
【図15】本発明の説明に供するもので、ハウジング位置長さJと接地電極の温度との関係を示すグラフである。
【図16】本発明の着火性評価結果の説明に供するもので、ハウジングの先端から中心電極チップ先端までの長さ(H−J)と限界空燃比との関係を示すグラフである。
【図17】本発明の説明に供するもので、接地電極のスラント形状を示す正面図である。
【符号の説明】
【0061】
1 内燃機関用スパークプラグ
2 ハウジング
2a ハウジング2の先端
2c 工具取り付け部
3 取り付けオネジ部
4 ガスケット
5 接地電極
5a 接地電極チップ
6 絶縁碍子
6c 絶縁碍子6の頭部
7 中心電極
7a 中心電極チップ
A シリンダーヘッド
B 燃焼室
F 絶縁碍子位置長さ
G 火花ギャップ
H 火花位置長さ
J ハウジング位置長さ
P ポケット隙間
X シリンダーヘッドAの端面
M 取り付けオネジ部3のネジ径
S1 中心電極チップ7aの軸直交断面積
S2 接地電極チップ5aの軸直交断面


【出願人】 【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
【出願日】 平成19年5月14日(2007.5.14)
【代理人】 【識別番号】100067596
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 求馬


【公開番号】 特開2008−123989(P2008−123989A)
【公開日】 平成20年5月29日(2008.5.29)
【出願番号】 特願2007−127662(P2007−127662)