(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通孔を有する絶縁碍子と、前記貫通孔の一端に保持された中心電極と、前記貫通孔の他端に備えられ前記中心電極と電気的に導通された電圧伝達手段と、前記絶縁碍子を保持するハウジングと、一端が前記ハウジング一端面に電気的に導通されるとともに、他端が前記中心電極の先端側との間で第１のスパークギャップを形成する第１接地電極と、一端が前記ハウジングに電気的に導通されるとともに、他端が前記中心電極の側面との間で第２のスパークギャップを形成する複数の第２接地電極とからなり、
前記第１接地電極の幅をＡ、第２接地電極の幅をＢとし、前記第１のスパークギャップの間隙をｇ１、前記第２のスパークギャップの間隙をｇ２とするとき、
０．５≦ΣＢｎ／Ａ≦１．５（但し、ｎは第２接地電極の数であって、ｎ≧２とする）
０．２ｍｍ≦ｇ２−ｇ１≦０．４ｍｍ
の関係を満たすことを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
【請求項２】
前記第１接地電極の先端部、又は中心電極の先端部の少なくとも一方に貴金属または貴金属合金からなる先端電極が設置されている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】
第２のスパークギャップは、
ｇ２≧０．９ｍｍ
の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項４】
第２のスパークギャップは、
ｇ２≧１．１ｍｍ
の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項５】
前記第１電極の先端部には白金または白金合金、イリジウム又はイリジウム合金からなる先端電極が設置され、また、中心電極の先端部はイリジウムまたはイリジウム合金線にて形成されてなる請求項１又は２に記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項６】
前記第１電極の先端部には白金または白金合金、イリジウム又はイリジウム合金からなる先端電極が設置され、また、中心電極の先端部は白金又は白金合金にて形成されてなる請求項１又は２に記載の内燃機関用スパークプラグ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用のスパークプラグに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車などに使用される内燃機関においては、環境問題あるいは地球資源問題に対するグローバルな立場から、燃費低減が強力に推進されてきている。その具体的手段として、特にガソリンエンジンでは、高圧縮化、希薄混合気によるリーンバーン化等により対応がなされてきている。しかしながら、これらの対応は、スパークプラグの放電電圧を非常に高くする傾向にある。放電電圧の上昇は、点火システムでの絶縁破壊にたいする余裕度の縮小の他に、特にスパークプラグのスパークギャップ以外の箇所での放電発生を引き起こし易くし、そのためにアイドルが不安定になることも、予測されるところである。そしてさらに、放電電圧の上昇は、電極消耗によってさらに加速化されることから、放電電圧の低いスパークプラグに対するニーズは大きい。
【０００３】
このような、ニーズを満足するスパークプラグとして、例えば、特開平５−３２６１０７号公報に開示されるようなスパークプラグがある。該スパークプラグは、放電電圧の低電圧化、及び電極消耗を抑制するために接地電極を複数本付設している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記スパークプラグは、第２接地電極の影響が十分配慮されていないため、より一層の放電電圧の低減と、耐摩耗性向上を十分発揮することができないという問題点を有する。
【０００５】
そこで、本発明は、上記課題に対処するために、複数の接地電極を備えたスパークプラグにおいて、数々の実験結果に基づき、該接地電極の仕様を詳細に検討することにより、放電電圧が低く、しかも着火性ひいてはドライバビリティ、及び耐熱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ものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の内燃機関用スパークプラグは、貫通孔を有する絶縁碍子と、前記貫通孔の一端に保持された中心電極と、前記貫通孔の他端に備えられ前記中心電極と電気的に導通された電圧伝達手段と、前記絶縁碍子を保持するハウジングと、一端が前記ハウジング一端面に電気的に導通されるとともに、他端が前記中心電極の先端部との間で第１のスパークギャップを形成する第１接地電極と、一端が前記ハウジングに電気的に導通されるとともに、他端が前記中心電極の側面との間で第２のスパークギャップを形成する第２接地電極とからなり、
前記第１接地電極の幅をＡ、第２接地電極の幅をＢとし、前記第１のスパークギャップの間隙をｇ1 、前記第２のスパークギャップの間隙をｇ2 とするとき、
０．５≦ΣＢｎ／Ａ≦１．５  （但し、ｎは第２接地電極の数であって、ｎ≧２とする）
０．２mm≦ｇ2 −ｇ1 ≦０．４mm
の関係を満たすことを特徴とするものである。
【０００７】
そして、前記第１接地電極の先端部、又は中心電極の先端部の少なくとも一方には貴金属または貴金属合金からなる先端電極が設置されている。
【００１０】
そして、第２のスパークギャップは、
ｇ2 ≧０．９mm
の関係を満たし、
また、第２のスパークギャップは、
ｇ2 ≧１．１mm
の関係をも満たしている。
【００１１】
さらに、前記第１電極の先端部には白金または白金合金、イリジウム又はイリジウム合金からなる先端電極が設置され、また、中心電極の先端部はイリジウムまたはイリジウム合金線にて形成されている。
また、前記第１電極の先端部には白金または白金合金、イリジウム又はイリジウム合金からなる先端電極が設置され、また、中心電極の先端部は白金又は白金合金にて形成されている。
【００１３】
そして、本発明においては、請求項１の構成とすることにより、スパークギャップを特定することにより、複数の第２接地電極を設けることにより、中心電極周囲の等電位面を収れんさせ、電界を強くさせることができるので、中心電極と第１接地電極により構成される第１のスパークギャップのみで容易に火花放電を生じさせることができる。さらに、本発明においては、第１接地電極の幅と第２接地電極の幅とを所定の関係とすることにより、従来の第２接地電極の幅よりも狭い第２接地電極を採用することにより、第２接地電極のエッジ効果により、電界強度をさらに強くすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態である内燃機関用スパークプラグの半断面概略図であり、図２（ａ）は、該スパークプラグの要部拡大正面図であり、図２（ｂ）は、該スパークプラグの要部拡大側面図である。図において、内燃機関用スパークプラグ１は、貫通孔２を有し、アルミナ等からなる絶縁碍子３と、銅等の金属性リング４及びパッキン５を介して上記絶縁碍子３を内部に固定保持する低炭素鋼等の金属製ハウジング６とから構成される。上記貫通孔２の先端には、貴金属又は貴金属合金からなる先端電極７を備えたニッケル合金等の耐熱耐食材料からなる中心電極８が保持され、上記貫通孔２の後端には、鉄等の金属材料からなる端子電極１０が保持されている。また、絶縁碍子３に内封された導電性ガラス１１及び抵抗体１２は上記中心電極８及び端子電極１０間に挾持されている。上記ハウジング６には、ネジ部１３が設けられ、且つ該ハウジング先端面１５には、ニッケル合金等の耐熱耐食材料からなる湾曲した第１接地電極１６が固定されている。該第１接地電極１６の先端部１７には、白金等の貴金属または貴金属合金からなる先端電極１８が設置され、該先端電極１８の先端面１８ａは、上記中心電極８に備えられた先端電極７の先端電極面７ａと軸方向に対向して間隙ｇ1 を有する第１のスパークギャップ２０を形成している。さらに、上記ハウジング先端面１５には、上記第１接地電極１６よりも小さな一対の湾曲した第２接地電極２１が各々第１接地電極１６から９０度離れた位置に対向して固定されている。そして、該第２接地電極２１の先端面２１ａは、上記中心電極８の側周面８ａに対向して配置されており、間隙ｇ2 を有する第２のスパークギャップ２２を形成している。また、夫々、上記第１接地電極１６は幅Ａを、第２接地電極２１は幅Ｂを有する。
【００１５】
そして、高電圧は、上記端子電極１０と上記ハウジング６との間に印加され、該端子電極１０、導電性ガラス１１、抵抗体１２から構成される電圧伝達手段によって第１、または、第２スパークギャップ２０，２２に伝達される。
【００１６】
次に、放電電圧が低く、しかも着火性、ひいてはドライバビリティ、及び耐熱性に優れたスパークプラグを創出するために、まず、放電電圧評価用供試スパークプラグを用意した。該スパークプラグは、第１接地電極１６の幅Ａを２．８mm及び２．４mmとし、第２接地電極２１の幅Ｂを０．５mmから２．５mmとした。さらに、第１のスパークギャップｇ1 を１．１mm、第２のスパークギャップｇ2 を１．３mmとした。また、バリ等の影響を排除するため、中心電極８の先端電極面７ａの周辺、及び第１、第２接地電極１６，２１の先端面１８ａ，２１ａの周辺を研削し、放電電圧を測定した。測定結果を図３に示す。実験方法については、４気筒１８００ccのエンジンを使用し、一般に放電電圧が高くなる、アイドリングからスロットルを全開にするレーシング条件で行い、１０回実施中の最高値をプロットした。放電電圧については、図３から理解できるように、第１接地電極１６の幅Ａが２．８mmにおいても２．４mmにおいても、ほぼ同結果となり、ΣＢn ／Ａの値が小さくなるほど放電電圧が低下する傾向にあり、特に、ΣＢn ／Ａ＝１．５以下において放電電圧が低下する効果が顕著である。これは、第２接地電極２１により、強磁界部位を中心電極８近傍に集中させる効果を、特に、該第２接地電極２１の幅Ｂを細くすることにより、更に高めることができたためである。但し、ΣＢｎは各第２接地電極の幅の和であり、ｎは第２接地電極の数を表わす。従って、例えば、第２接地電極が３個あれば、ΣＢｎ＝Ｂ1 ＋Ｂ2 ＋Ｂ3 となる。
【００１７】
次に、前記放電電圧のときと同仕様のスパークプラグを用いて、耐熱性実験を実施した。耐熱性の評価を実施した結果を図４に示す。評価方法としては、全負荷６０００rpm にてエンジンを運転しつつ点火時期を進め、プレイグニッションが発生する点火時期を調査した。図４は、第１接地電極１６の幅Ａ＝２．８mmと一定として第２接地電極２１の幅Ｂを変更していったときの結果を示したものである。その結果、ΣＢn ／Ａの値が大きくなるに従い、プレイグニッションが発生する点火時期は徐々に低下し、耐熱性が悪化する傾向にあり、特に、ΣＢn ／Ａの値が１．５を越えると、耐熱性が悪化する傾向が顕著になってくる。
【００１８】
以上の結果より、放電電圧が低く且つ耐熱性に優れたスパークプラグとしては、ΣＢn ／Ａの値を１．５以下にすることが必要であることを見い出した。一方、第２接地電極２１の幅Ｂは、高温の燃焼ガスによる耐食性を考慮すると、０．７５mm以上が望ましく、また、第１接地電極１６の幅Ａは、消炎作用増大による着火性能低下の点からすると３．０mm以下が望ましいことから、総合的にみて、ΣＢn ／Ａの値は０．５以上とすることが望ましい。
【００１９】
次に、着火性向上策について検討した結果を説明する。着火性を向上させるためには、上記第１のスパークギャップ２０に限定してスパークを発生させる必要がある。そこで、第１のスパークギャップ２０の間隙ｇ1 を０．８mmから１．４mmまで０．１mm毎に変更し、また、第２のスパークギャップ２２の間隙ｇ2 も０．８mmから１．６mmまで０．１mm毎に変更したスパークプラグを試作し、可視化できる気密容器内に空気を封入したエンジン模擬ベンチにおいてスパークプラグの放電状況を観察した。尚、第１接地電極１６の幅Ａは２．８mm、第２接地電極２１の幅Ｂは１．４mmとし、且つ、気密容器内の圧力は通常のエンジン運転条件での放電電圧と略等しくなる条件である４kg／cm2 で実施した。実施結果を図５に示す。図中、○印で示した点は、第１のスパークギャップ20で飛火し且つ第２接地電極２１による放電電圧の低減効果のある領域を表わしたものである。図５の内容からも判明するところであるが、第２のスパークギャップｇ2 と第１のスパークギャップｇ1 との差（ｇ2 −ｇ1 ）は、−０．１mmより大きければ、常時、第１のスパークギャップｇ1 で飛火することが判明した。即ち、中心電極８の先端電極面７ａからの方が、中心電極８の側周面８ａよりもエッジ効果のため電界強度が強く、たとえ、第１のスパークギャップｇ1 が第２のスパークギャップｇ2 より０．１mm大きくても、第１のスパークギャップｇ1 で飛火することが判明した。また、図５において、△印で示した点は、第１のスパークギャップｇ1 に対して第２のスパークギャップｇ2 が大きすぎるため、第２接地電極２１による放電電圧低減効果がほとんどみられない領域を示している。
【００２０】
以上より、放電部位を第１のスパークギャップｇ1 に限定して着火性を向上させることにより、エンジンのトルク変動を抑制するとともに、第２接地電極２１による放電電圧低減効果を発揮させることができる第１、第２のスパークギャップｇ1 ，ｇ2 の関係として、
−０．１mm≦ｇ2 −ｇ1 ≦０．４mm
の関係を見い出した。
ここで、中心電極及び第１接地電極に貴金属または貴金属合金からなる先端電極が設置されてなるスパークプラグにおいては、一般的に走行距離１０万km以上の耐久寿命が必要とされ、その時のチップ消耗によるｇ1 の拡大を考慮すると望ましくは
０．１mm≦ｇ2 −ｇ1 ≦０．４mm
の関係を満足する必要がある。
【００２１】
前記プラグにおいて低温始動性について検討した結果を説明する。始動時において、燃焼にいたる前のクランキング時には、噴射された微粒燃料が電極に付着し、それが堆積すると、ギャップ間をブリッジ（橋絡）する様に付着する場合がある。この傾向は、特に、第２スパークギャップｇ2 間で顕著に見られ、大幅に始動性が悪化し、始動不良にいたる場合がある。そこで、第２スパークギャップを各種変更して始動性を評価し、最適値を求めた。
図６は一般の寒冷地に相当する−１５℃の低温試験室において評価した結果を示す。
供試エンジンは、４気筒２０００℃の乗用車用エンジン単体で行った。プラグは第１実施形態に示すプラグにおいて第１スパークギャップｇ1 を０．８mmに固定し、第２スパークギャップｇ2 を０．８mmから１．２mmまで０．１mmづつ変更した。尚、第２接地電極幅は２．０mm、第１接地電極幅は２．８mmで実施した。図６より、第２のスパークギャップｇ2 が、０．９mm以上では始動性は全く問題なかった。
一方ｇ2 を０．８mmと小さくすると始動性が大幅に悪化した。これは前述した様に、第２のスパークギャップｇ2 が小さいと、クランキング途中に燃料のブリッジ（橋絡）が生じる場合があり、該ブリッジ（橋絡）により失火が生起し、始動性の悪化にいたったものと推定される。
よって一般の寒冷地を想定した場合、
ｇ2 ≧０．９mmの関係を満たす必要がある。
【００２２】
次に図７に極寒冷地に相当する−３０℃の温度の低温試験室において評価した結果を示す。
供試エンジンおよびプラグは前記のもので実施した。その結果第２スパークギャップｇ2 は１．１mm以上にしないと始動性が悪化することがわかった。温度が−１５℃の試験よりも第２スパークギャップｇ2 を広くしないと始動性が確保できない理由としては、温度が−３０℃では燃料の霧化が悪く、燃料粒径も大きいため、より電極表面に付着しやすく、又、燃料ブリッジ（橋絡）発生の頻度がふえるためと思われる。よって極寒冷地の始動性を確保するためにはｇ2 ≧１．１mmの関係を満たす必要がある。
−１５℃、−３０℃の温度における始動試験において、第１スパークギャップを１．２mmまで広げて同様な評価を行ったが、結果は同じであった。
【００２３】
図８は、本発明の第２実施形態を示す要部拡大正面図である。本実施形態においては、中心電極８の先端、及び第１接地電極１６に貴金属又は貴金属合金チップを配置していない点が第１実施形態と相違することろである。しかし、第１実施形態のスパークプラグと同様に試作して実験を実施したところ、第１実施形態の効果と同様の効果を得ることができた。
そして、中心電極先端部および接地電極先端部に貴金属または貴金属合金チップが設置されていないスパークプラグにおいては、一般的に走行距離５万km以上の耐久寿命が必要とされ、その時の電極消耗によるｇ1 の拡大を考慮すると望ましくは
０．２mm≦ｇ2 −ｇ1 ≦０．４mm
の関係を満足する必要がある。
【００２４】
図９は、本発明の第３実施形態を示す要部拡大正面図である。本実施形態においては、中心電極８のうち、碍子３の燃焼室側端部より突き出した中心電極先端部８′を耐熱貴金属であるイリジウムまたはイリジウム合金線にて形成し、また、第１接地電極１６の先端電極１８には、第１実施例と同様に白金チップを使用している。そして、第１実施形態のスパークプラグと同様に試作して実験を実施したところ、第１実施形態の効果と同様の効果を得ることができた。
【００２５】
【発明の効果】
本発明においては、請求項１の構成とすることにより、スパークギャップを特定することにより、第２接地電極を設けることにより、中心電極周囲の等電位面を収れんさせ、電界を強くさせることができるので、中心電極と第１接地電極により構成される第１のスパークギャップのみで容易に火花放電を生じさせることができる。さらに、本発明においては、第１接地電極の幅と第２接地電極の幅とを所定の関係とすることにより、従来の第２接地電極の幅よりも狭い第２接地電極を採用することにより、第２接地電極のエッジ効果により、電界強度をさらに強くすることができる。
【００２６】
請求項５の内燃機関用スパークプラグにおいては、寒冷地における低温始動性を、また、請求項６の内燃機関用スパークプラグにおいては、極寒冷地における低温始動性をも向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例である内燃機関用スパークプラグの半断面概略図である。
【図２】本発明の第１実施例である内燃機関用スパークプラグの要部拡大図であり、図２（ａ）は要部拡大正面図、図２（ｂ）は要部拡大側面図である。
【図３】本発明における実験１の評価結果を示すグラフである。
【図４】本発明における実験２の評価結果を示すグラフである。
【図５】本発明における実験３の評価結果を示すグラフである。
【図６】本発明における第１実施例を一般の寒冷地に相当する−１５℃の温度の低温試験室において評価した結果を示すグラフである。
【図７】本発明における第１実施例を極寒冷地に相当する−３０℃の温度の低温試験室において評価した結果を示すグラフである。
【図８】本発明の第２実施例である内燃機関用スパークプラグの要部拡大正面図である。
【図９】本発明の第３実施例である内燃機関用スパークプラグの要部拡大正面図である。
【符号の説明】
１…内燃機関用スパークプラグ
２…貫通孔
３…絶縁碍子
６…ハウジング
８…中心電極
１０…端子電極
１１…導電性ガラス
１２…抵抗体
１６…第１接地電極
２０…第１のスパークギャップ
２１…第２接地電極
２２…第２のスパークギャップ
【図１】
0004100725.tif 000002
【図２】
0004100725.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004100725.tif 000005
【図５】
0004100725.tif 000006
【図６】
0004100725.tif 000007
【図７】
0004100725.tif 000008
【図８】
0004100725.tif 000009
【図９】
0004100725.tif 000010