(57)【要約】【課題】エンジンの点火プラグ１０の電極近傍における筒内流動をできるだけ阻害することなく、カーボンの付着、堆積による点火プラグの燻りの発生を抑制する。【解決手段】点火プラグ１０のハウジング１１および碍子１３の間に、プラグ軸線Ｘ方向の先端側に向かって開放するプラグポケット部Ｐが形成され、主接地電極１４は、ハウジング１１の先端部からプラグ軸線Ｘの方向に延びつつ、これに近づくように湾曲するアーム部１４ａと、その先端部に設けられ、中心電極１２の先端部（電極チップ１２ａ）とプラグ軸線Ｘの方向に対向する対向部（電極チップ１４ｂ）とを有している。主接地電極１４のアーム部１４ａに、碍子１３の先端部に向かって延びる副接地電極部１５を設けて、当該碍子１３の先端部外周との間にサブギャップＳＧを形成させる。【選択図】図２
2017054624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラグ軸方向に延びる筒状のハウジングに中心電極を収容し、両者の間を筒状の碍子によって絶縁するとともに、前記ハウジングの先端部に接続された主接地電極を設け、この主接地電極と前記中心電極との間にメインギャップを形成した内燃機関の点火プラグであって、
前記ハウジングおよび碍子の間には、プラグ軸方向の先端側に向かって開放するポケット隙間が形成され、
前記主接地電極は、前記ハウジングの先端部からプラグ軸方向に延びつつ、前記中心電極に近づくように湾曲するアーム部と、その先端部に設けられ、前記中心電極の先端部とプラグ軸方向に対向する対向部とを有し、
前記主接地電極のアーム部には、前記碍子の先端部に向かって延びる副接地電極部が設けられ、当該碍子の先端部外周との間にサブギャップが形成されていることを特徴とする内燃機関の点火プラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室に配設されて、火花放電によって混合気に点火する点火プラグに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より例えばガソリンエンジンのように、気筒内に臨む燃焼室の天井部に点火プラグを設けて混合気に点火するようにした火花点火式のエンジンは知られている。この点火プラグは先端部の中心電極と接地電極との間（メインギャップ）に火花放電して、混合気に点火するものであるが、例えば冷間始動後などのように燃料が気化し難く、着火性の低い状態が続くと、電極や碍子などにカーボンが付着、堆積して、点火エネルギの低下を引き起こすことある（いわゆるプラグの燻り）。
【０００３】
この点について例えば特許文献１に記載の点火プラグは、中心電極とプラグ軸方向に対向する主接地電極の他に、碍子の側方（プラグ半径方向）に近接する２つの副接地電極を設けている。すなわち、例えば碍子の先端部にカーボンが付着、堆積して中心電極と導通するようになり、メインギャップにおいて強い放電火花が得られなくなると、そのカーボンの付着部分と副接地電極との間（サブギャップ）で火花放電が行われ、カーボンを焼き切ることができる（いわゆる自己清浄作用）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−０９８０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、前記従来例のように主接地電極の他に２つの副接地電極を設けた場合、これらがそれぞれハウジングからプラグ軸方向に延びて、中心電極を取り囲むようになるので、メインギャップへの混合気の流れを邪魔するおそれがある。この点について、前記従来例では主接地電極を吸気の流れに対して下流側に配置するとともに、副接地電極もできるだけ流れを妨げないように配置している。
【０００６】
しかしながら、本発明の発明者が点火プラグの先端部近傍における気筒内の流動を詳細に検討した結果、前記従来例のように流れの下流側に主接地電極を配置すると、メインギャップに流入した混合気が主接地電極に衝突して上方に指向され、ハウジングおよび碍子の間の環状の隙間（ポケット隙間）に流入することが分かった。こうして流入した混合気はポケット隙間に滞留し、不完全燃焼によりカーボンの付着、堆積を助長するものと考えられる。
【０００７】
また、前記従来例では、主接地電極と同様に大きな２つの副接地電極が設けられていることから、それらの表面積がかなり大きくなってしまい、熱損失が増大することは避けられない。さらに、それらの副接地電極が熱を奪うことによって、火炎の成長が阻害される上に、副接地電極の下流側（排気側）において流れが淀むことによっても、火炎の成長が阻害されることになる。
【０００８】
そのような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、点火プラグの電極近傍の筒内流動および火炎の成長をできるだけ阻害しないようにしながら、カーボンの付着、堆積による点火プラグの燻りの発生を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するために本発明は、プラグ軸方向に延びる筒状のハウジングに中心電極を収容し、両者の間を筒状の碍子によって絶縁するとともに、前記ハウジングの先端部に接続された主接地電極を設け、この主接地電極と前記中心電極との間にメインギャップを形成した内燃機関の点火プラグを対象とする。
【００１０】
そして、前記ハウジングおよび碍子の間に、プラグ軸方向の先端側に向かって開放するポケット隙間が形成されており、また、前記主接地電極は、前記ハウジングの先端部からプラグ軸方向に延びつつ、前記中心電極に近づくように湾曲するアーム部と、その先端部に設けられ、前記中心電極の先端部とプラグ軸方向に対向する対向部とを有している場合に、そのアーム部には、前記碍子の先端部に向かって突出する副接地電極部を設けて、当該碍子の先端部外周との間にサブギャップが形成されるようにした。
【００１１】
前記のように構成された点火プラグにおいては、通常は中心電極の先端部と、プラグ軸方向に対向する主接地電極の対向部との間（メインギャップ）で火花放電が行われ、混合気に点火される。主接地電極のアーム部には副接地電極部が設けられているが、これは従来例の副接地電極に比べてかなり小さいので、熱損失は大幅に小さくなる。また、そのように小さな副接地電極部は、筒内流動や火炎の成長を阻害し難い。
【００１２】
さらに、前記副接地電極部が主接地電極のアーム部から碍子の先端部に向かって延びていることで、そのアーム部に沿って上方に向かう流れが堰き止められるようになる。このため、メインギャップに流入した混合気が、ハウジングおよび碍子の間のポケット隙間へ流入し難くなって、ここに滞留する混合気の不完全燃焼によるカーボンの付着、堆積が抑制される。これにより、点火プラグの燻りの発生を抑制できる。
【００１３】
好ましいのは、前記主接地電極を吸気側からの流れに対してメインギャップの下流側（即ち排気側）に位置付け、そのアーム部から碍子の先端部に向かって副接地電極部を突出させることである。こうすると、相対的にカーボンの付着、堆積しやすい碍子の下流側に近接して副接地電極部が配置されることになるので、仮に燻りが発生しても、副接地電極部とカーボンの堆積部分との間での火花放電によって、効果的にカーボンを焼き切ることができる。
【００１４】
その場合により好ましいのは、前記碍子の先端部に、その先端面の内周寄りの部位から中心電極を取り囲むように突出する縮径部を設けるとともに、この縮径部を除いた先端面の外周寄りの部位を、前記副接地電極部に近い側においてプラグ軸方向の先端側に位置し、反対側では基端側に位置する傾斜面とすることである。こうすると、吸気の流れが碍子の先端面に沿って、当該先端面から離れるように指向されることになり、このことによっても混合気のポケット隙間への流入を抑制できる。
【００１５】
しかも、そのように傾斜する碍子の先端面に沿って混合気が流れることにより、この先端面における排気側寄りの部位、即ち、副接地電極部に最も近い部位にカーボンが付着、堆積しやすくなる。つまり、碍子の先端部において副接地電極部との間（サブギャップ）で火花放電が起きる部位にカーボンが付着、堆積しやすくなるので、このカーボンをより効果的に焼き切ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、点火プラグの先端部においてハウジングの先端からプラグ軸方向に延びる主接地電極のアーム部に副接地電極部を設けることで、筒内流動および火炎の成長をできるだけ阻害しないようにしながら、カーボンの付着、堆積による燻りの発生を抑制することができ、さらに、自己清浄作用によって燻りから復帰できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施の形態に係る内燃機関の気筒周りの概略構成を示す断面図である。
【図２】点火プラグの先端部の構成を示す部分断面図である。
【図３】点火プラグを上下に反転させて、その先端部の構成を示す斜視図である。
【図４】点火プラグの電極近傍における吸気の流れの一例を示す図である。
【図５】比較のために示す通常の点火プラグについての図４相当図である。
【図６】点火プラグの先端部の形状の他の一例を示す図３相当図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を筒内噴射式内燃機関の点火プラグとして適用した実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、内燃機関であるガソリンエンジン（全体は図示せず）の気筒１周りの構成を概略的に示し、各気筒１毎に収容されたピストン２の上方には燃焼室３が形成されている。この燃焼室３の天井部は、各気筒１毎にシリンダヘッド４に形成された窪みであり、図の例では、吸気側及び排気側の２つの傾斜面からなる浅い三角屋根形状とされている。
【００１９】
なお、前記「ピストン２の上方」というのは、ピストン２の往復動する気筒１の軸方向における上死点側のことであり、以下では説明の便宜上、この方向を単に上下方向というものとするが、これは実際の使用状態における方向や向きを限定するものではない。
【００２０】
前記燃焼室３の天井部における吸気側の傾斜面、即ち図１において左側の傾斜面には、２つの吸気ポート５（図には１つのみ示す）が横並びに開口していて、それぞれ吸気バルブ６によって開閉されるようになっている。この開口部から斜め上向きに延びている吸気ポート５は、図示はしないが、シリンダヘッド４の側面に開口して、吸気マニホルド内の吸気通路と連通している。
【００２１】
そして、気筒１の吸気行程においてピストン２が下降するときには、図１に示すように吸気バルブ６が開かれ、この吸気バルブ６の傘部と吸気ポート５の開口部との間の円環状の隙間から吸気が流入するようになる。図には矢印Ａとして示すように吸気の主流は、吸気ポート５の開口部の上側の部分から燃焼室３に流入して、燃焼室３の天井部に沿うように排気側に向かいながら下方に指向されてゆく。
【００２２】
一方、図１には右側に表れているように、燃焼室３の天井部における排気側の傾斜面には、２つの排気ポート７（図には１つのみ示す）が横並びに開口していて、それぞれ排気バルブ８によって開閉されるようになっている。この開口部から斜め上向きに延びている排気ポート７は、図示はしないが、互いに合流した後にシリンダヘッド４の排気側の側面に開口して、排気マニホルド内の排気通路と連通している。
【００２３】
また、燃焼室３の天井部のほぼ中央には、２つの吸気ポート５の開口部に近接してインジェクタ９の先端部（下端部）が燃焼室３に臨んでいる。一例としてインジェクタ９は、複数の噴孔を有するマルチホールタイプのもので、その先端部に設けられた複数の噴孔からそれぞれ所定の方向に燃料噴霧Ｆが噴出する。なお、図示はしないが、インジェクタ９の基端部（上端部）には各気筒１に共通の燃料分配管が接続されていて、高圧燃料ポンプから圧送される燃料をインジェクタ９に分配するようになっている。
【００２４】
そのインジェクタ９に隣接して点火プラグ１０が配設され、先端部（下端部）が燃焼室３に臨んでいる。点火プラグ１０は、インジェクタ９との干渉を避けるようにプラグ軸（図示のプラグ軸線Ｘ）が傾斜していて、その基端側には図示しない点火コイルユニットが接続され、各気筒１毎に所定のタイミングで通電するようになっている。これにより点火プラグ１０は、前記したように吸気ポート５から流入する吸気と、インジェクタ９からの燃料噴霧Ｆとの混合気に点火する。
【００２５】
−点火プラグ−
詳しくは本実施の形態の点火プラグ１０は、プラグ軸線Ｘの方向に延びる円筒状のハウジング１１の内部に中心電極１２を収容し、両者の間を円筒状の碍子１３によって絶縁するとともに、ハウジング１１の先端部（下端部）にＪ字状の主接地電極１４を接続して、その下端部と中心電極１２との間にメインギャップＭＧを形成したものである。なお、ハウジング１１、中心電極１２および碍子１３は概ね同軸状に配置されている。
【００２６】
図２には点火プラグ１０の先端側を拡大して、一部を断面で示すように、前記ハウジング１１は金属材料により形成され、その外周には雄ねじ１１ａが形成されて、シリンダヘッド４の挿入孔４ａ（図１を参照）の雌ねじと螺合するようになっている。また、中心電極１２も金属材料により形成され、プラグ軸線Ｘに沿って延びていて、その先端部（下端部）が碍子１３から突出している。この先端には、例えばイリジウム、ロジウム等を含む合金材料により形成された電極チップ１２ａが溶接されている。
【００２７】
それらハウジング１１および中心電極１２を絶縁する碍子１３は、例えばアルミナ等のセラミックス材料より形成され、その先端部（下端部）は先窄まりの円錐台状とされていて、これを取り囲むハウジング１１との間には、図２に表れているように下方に向かって開放された円環状のポケット隙間Ｐ（以下、プラグポケット部Ｐという）が形成されている。なお、このプラグポケット部Ｐの底部（上端部）には、図示しない円環状のガスケットが配設され、ハウジング１１と碍子１３との間を気密に封止している。
【００２８】
また、図２の他、図３には上下を反転させて示すように、碍子１３の先端部はハウジング１１の先端部（図から突出している。本実施の形態では碍子１３の先端部には、その先端面１３ａの内周寄りの部位から中心電極１２を取り囲むように突出する縮径部１３ｂが設けられており、この縮径部１３ｂを除いた先端面１３ａの外周寄りの部位は、プラグ軸線Ｘに対して傾斜する（プラグ軸線Ｘに直交する仮想面に対して傾斜する）傾斜面とされている。
【００２９】
すなわち、図２に表れているように碍子１３の先端面１３ａは、主接地電極１４に近い側（図２の右側）において下方（プラグ軸線Ｘ方向の先端側）に位置し、反対側（図２の左側）では上方（プラグ軸線Ｘ方向の基端側）に位置するように傾斜している。そして、その先端面１３ａにおいて最も下方に位置する外周縁部が主接地電極１４に近接していて、後述する副接地電極部１５との間にサブギャップＳＧが形成されている。
【００３０】
より詳しくは、主接地電極１４は、金属材料により前記の如くＪ字状に形成され、その上端部がハウジング１１の先端部に溶接されて、下方に（プラグ軸線Ｘの方向に）延びている。主接地電極１４は、そのように下方に延びつつ、プラグ軸線Ｘに近づくように湾曲して延びるアーム部１４ａと、例えばイリジウム、ロジウム等を含む合金材料により形成され、前記アーム部１４ａの先端部に溶接された電極チップ１４ｂ（対向部）と、を備えている。
【００３１】
そうして電極チップ１４ｂは、中心電極１２の先端の電極チップ１２ａとプラグ軸線Ｘの方向に対向するように配設されており、これら２つの電極チップ１２ａ，１４ｂの間にメインギャップＭＧが形成されて、点火コイルユニットからの通電によって火花放電が行われるようになっている。なお、主接地電極１４は、前記のようにアーム部１４ａが湾曲するＪ字状ではなく、例えばＬ字状であってもよい。
【００３２】
そして、本実施の形態の特徴として前記主接地電極１４のアーム部１４ａには、それがプラグ軸線Ｘの方向に直線的に延びた後に湾曲し始める部位から、碍子１３の先端部に向かって突出するように副接地電極部１５が設けられている。この副接地電極部１５も例えばイリジウム、ロジウム等を含む合金材料により形成されて、アーム部１４ａに溶接されたものであり、その突出端部が近接する碍子１３の先端面１３ａの外周縁部（先端部の外周）との間に、サブギャップＳＧが形成されている。
【００３３】
このように形成されたサブギャップＳＧにおいては通常は火花放電は発生しないが、例えば碍子１３の先端部にカーボンが付着、堆積して、中心電極１２と導通するようになってしまい、メインギャップＭＧにおいて適切に火花放電が行われなくなると、そのカーボンの付着部分と副接地電極部１５との間（サブギャップＳＧ）で火花放電が行われ、カーボンを焼き切るようになる（いわゆる自己清浄作用）。
【００３４】
−プラグ電極近傍の流動−
前記のように構成された点火プラグ１０は、図１に表れているようにシリンダヘッド４の挿入孔４ａに装着されて、その先端部が燃焼室３に臨んでいる。本実施の形態では、点火プラグ１０のハウジング１１に形成された雄ねじ１１ａの切り始めの位置（周方向の位置）と、この雄ねじ１１ａが螺合される挿入孔４ａの雌ねじの切り始めの位置とを対応づけて設定しており、このことで、図１に表れているように主接地電極１４が、吸気側からの流れＡに対して下流側（排気側）に位置するようになっている。
【００３５】
すなわち、点火プラグ１０は、その主接地電極１４がメインギャップＭＧへの混合気の流入をできるだけ妨げないように配置されているが、こうすると、碍子１３の外周面において流れＡの下流側に位置する部位にカーボンが付着、堆積しやすく、燻りの発生するおそれがあった。この点について本発明の発明者は、実機試験の結果を詳細に検討し、点火プラグ１０のメインギャップＭＧに流入した混合気が、主接地電極１４に衝突して上方に指向され、プラグポケット部Ｐに流入していることに気付いた。
【００３６】
詳しくは図４および図５にそれぞれ、本発明者が点火プラグの電極近傍における気筒内の流動を観察した結果を示す。これらは、ＣＦＤの解析結果を基に吸気の流れを模式的に示したものである。図５は、比較のために通常の点火プラグについて示すが、説明の便宜上、本実施の形態の点火プラグ１０と同じ符号を付している。図５に表れているように、メインギャップＭＧへ流入した混合気は、その下流側に配置された主接地電極１４に衝突して上方のプラグポケット部Ｐに向かうようになり、このプラグポケット部Ｐに滞留して、不完全燃焼によるカーボンの付着、堆積を助長する。
【００３７】
これに対し本実施の形態の点火プラグ１０を用いた場合は、上述したように碍子１３の先端面１３ａを傾斜面としているので、図４に模式的に示すように、吸気の流れＡを先端面１３ａの傾斜に沿うように下方に指向させることができる。これにより、メインギャップＭＧを通過する混合気の流れも下方に指向されるようになって、上方のプラグポケット部Ｐへ向かう流れが減少する。
【００３８】
なお、図４に示すように本実施の形態では、碍子１３の先端面１３ａにおいて最も上方（プラグ軸線Ｘの方向について最も基端側）に位置する外周縁部を、ハウジング１１の先端面よりも上方に位置付けている。すなわち、中心電極１２の先端（電極チップ１２ａ）から碍子１３の先端面１３ａにおける最上方位置までの上下の間隔Ｈｓが、中心電極１２の先端からハウジング１１の先端面までの上下の間隔Ｈｈよりも大きくなっており（Ｈｓ＞Ｈｈ）、これにより吸気の流れＡを好適に下方に指向させることができる。
【００３９】
その上で本実施の形態では、前記のように主接地電極１４に設けた副接地電極部１５により、主接地電極１４に沿って上方に向かう混合気の流れＡが堰き止められる。すなわち、図４に示すように副接地電極部１５と碍子１３の先端部との間（サブギャップＳＧ）の間隔Ｇｓが、碍子１３の外周縁部から主接地電極１４のハウジング１１との接続部までの間隔Ｇｈよりも小さくなっているので（Ｇｓ＜Ｇｈ）、プラグポケット部Ｐへの流れＡを好適に堰き止めることができる。
【００４０】
このように碍子１３の先端面１３ａの傾斜によって流れを下方に指向させるとともに、それでもなお上方に向かう流れは、副接地電極部１５によって堰き止めることによって、本実施の形態の点火プラグ１０では、ハウジング１１と碍子１３との間のプラグポケット部Ｐへの混合気の流入を効果的に抑制でき、滞留する混合気の不完全燃焼によるカーボンの付着、堆積を十分に抑制できる。
【００４１】
なお、前記のように碍子１３の先端面１３ａに沿って流れが下向きに指向されることから、この流れの下流側に位置する当該先端面１３ａの外周縁部には、カーボンが付着・堆積しやすい。言い換えると、副接地電極部１５と近接し、サブギャップＳＧで火花放電が起きる部位にカーボンが付着、堆積しやすくなっており、このカーボンを放電火花によって効果的に焼き切ることができる。
【００４２】
以上、説明したように本実施の形態の点火プラグ１０では、そのハウジング１１の先端部からプラグ軸線Ｘの方向に延びる主接地電極１４のアーム部１４ａに、碍子１３の先端部に向かって突出するように副接地電極部１５を設けている。これは、例えば特許文献１に記載の点火プラグのように、主接地電極とは別に２つの副接地電極を設けるのと比べて、それらの表面積の合計がかなり小さくなり、熱損失が大幅に低減される。本実施の形態では特許文献１のものに比べて、接地電極の表面積が約１／３になっている。
【００４３】
また、特許文献１に記載の点火プラグのように、大きな副接地電極によって火炎の成長が阻害されることもなく、その副接地電極の下流側（排気側）において流れが淀むこともない。さらに、碍子１３の先端面１３ａを傾斜させて、吸気の流れを下方に指向させるとともに、前記副接地電極部１５によって上方に向かう流れを堰き止めるようにしており、このことで、プラグポケット部Ｐに滞留する混合気の不完全燃焼によるカーボンの付着、堆積を抑制できる。
【００４４】
つまり、点火プラグ１０の先端部の近傍における気筒１内の流動および火炎の成長をできるだけ阻害しないようにしながら、プラグポケット部Ｐにおける混合気の滞留によるカーボンの付着、堆積を抑制し、燻りの発生を防止することができる。その上さらに、碍子１３の先端部に付着、堆積したカーボンは、サブギャップＳＧでの放電火花によって効果的に焼き切ることができ、自己清浄作用によって燻りから復帰することができる
−他の実施形態−
上述した実施の形態はあくまで例示に過ぎず、本発明の構成や用途などについても限定することを意図しない。例えば前記実施の形態において点火プラグ１０の碍子１３は円筒状とされているが、これに限らず、例えば図６に示すように碍子１３を、断面が四角形の角筒状としてもよい。この図６の例では先端面１３ａにおいて最も下方（図６においては最も上方）に位置する外周縁部（四角形の一辺となる外周縁部）と、近接する副接地電極部１５との間にサブギャップＳＧが形成される。
【００４５】
また、前記実施の形態のように点火プラグ１０の碍子１３の先端面１３ａを傾斜させる必要もなく、先端面１３ａがプラグ軸線Ｘに略直交するように構成してもよいし、図４を参照して説明したＨｓ＞Ｈｈ、およびＧｓ＜ｇｈなどの寸法についても必須の構成ではない。さらに、前記実施の形態のように、主接地電極１４が吸気の流れの下流側（排気側）に位置するように、点火プラグ１０を配設することにも限定されない。
【００４６】
さらにまた、本発明を適用する内燃機関は、前記実施の形態のような筒内噴射式のガソリンエンジン１にも限定されず、例えば吸気ポートにインジェクタを配設したポート噴射式のガソリンエンジンであってもよいし、ガソリンエンジン以外の火花点火式エンジン、例えばアルコールエンジンやガスエンジンなどであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、ガソリンエンジンなどの火花点火式内燃機関に用いられる点火プラグに適用可能であり、特に、気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射式の内燃機関に適用して効果が高い。
【符号の説明】
【００４８】
１      エンジン（内燃機関）
１０    点火プラグ
１１    ハウジング
１２    中心電極
１２ａ  電極チップ（先端部）
１３    碍子
１４    主接地電極
１４ａ  アーム部
１４ｂ  電極チップ（対向部）
１５    副接地電極部
ＭＧ    メインギャップ
ＳＧ    サブギャップ
Ｐ      プラグポケット部（ポケット隙間）
Ｘ      プラグ軸線（プラグ軸方向）
【図１】
2017054624.tif 000003
【図２】
2017054624.tif 000004
【図３】
2017054624.tif 000005
【図４】
2017054624.tif 000006
【図５】
2017054624.tif 000007
【図６】
2017054624.tif 000008