JP4185848B2 - スパークプラグの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関等に用いられる点火用スパークプラグの製造方法に関する。

内燃機関に用いられるスパークプラグは、配電器から送られる高電圧を中心電極と接地電極とによって形成される火花放電ギャップに印加し、火花放電を発生させ、混合気に着火させるものである。この中心電極及び接地電極のそれぞれの火花放電をさせる先端部には、その耐久性を向上させるためにそれぞれの電極母材とは異なる材質からなる耐火花消耗性に優れる部材である貴金属製のチップを設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。近年、エンジンの高出力化、省燃費化に伴い、スパークプラグはより高着火性能を発揮することが望まれてきている。高着火性能を実現する方法として、電極を細径化し、消炎効果を抑えたものや、燃焼室内へより突き出すように絶縁体を長く主体金具から突出させるような形態のものがある。

特に、電極の細径化の手段の１つとして、中心電極、接地電極それぞれの先端部に設けられた貴金属チップを細径化して、接地電極から突き出すことによって針形状としたスパークプラグがある（例えば、特許文献２参照）。このようなスパークプラグの接地電極は、主体金具の先端面にその一端を接合されて、スパークプラグの軸線方向と略平行に延びており、適当な曲率半径をもって曲折されて、他端に接合された貴金属チップを中心電極の先端面と対向するように指向されている。火花放電をする貴金属チップが細径化し、接地電極から突き出されることによって、着火した混合気は従来のスパークプラグよりも速い速度で燃焼室内に火炎核を広げていくことが可能となった。

上記のスパークプラグは細径の突き出したチップを用いることによって、接地電極による火炎核の広がりが阻害されることを減少できるため、着火後における着火性能が改善されている。しかしながら、より着火性能を向上させるために、混合気が着火する以前の状態に着目すると、上記のスパークプラグは必ずしも着火性能に優れているとは断言できない問題を抱えている。
特開２００２−３１３５２４号公報 特開２００１−３４５１６２号公報

スパークプラグは中心電極と接地電極との間に形成された火花放電ギャップにおいて火花放電をさせ、混合気に着火させるために、接地電極を曲げることによって、中心電極と対向させている。しかし、着火性能の向上という観点では、放電のしやすさ、火炎核の広がりの良さを改善するだけでは不十分であり、火花放電ギャップに混合気が流れ込みやすい形状を考慮しなくてはならない。

ところでスパークプラグはその構造上、接地電極が存在する。そしてスパークプラグ自体のエンジンへの取付け方法は、主体金具に形成された雄ねじをエンジンの雌ねじ螺着させるものである。したがって、スパークプラグを取り付けた際に、火花放電ギャップが燃焼室内に混合気が流入してくるインテークマニホールド方向に向いており、接地電極の陰に隠れていない状態であれば、問題なく混合気は着火する。しかし、それとは反対向き方向、即ち混合気が流入してくる方向に接地電極の背面が向いている状態で取り付けられていると、混合気は接地電極を回り込んで火花放電ギャップにたどり着くこととなる。

特に、高着火性が要求される針形状としたスパークプラグの場合、即ち、中心電極の先端部端面が主体金具から３ｍｍ〜７ｍｍの位置に配置され、接地電極には接合された貴金属チップが接地電極から０．３ｍｍ以上突き出している場合には、混合気が接地電極を回り込んで火花放電ギャップにたどり着きにくい傾向が大きい。そして、中心電極と接地電極の主体金具に接合された一端に近い部分、即ち、スパークプラグの軸線方向と略平行に延びている部分との距離が近い場合には、混合気が接地電極を巻き込んで火花放電ギャップに到達するための距離を十分にとることため、混合気が到達できない、若しくは少量の混合気しか火花放電ギャップにたどり着かなくなってしまうことから着火性能が十分ではなくなる。つまり、高着火性を要求される針形状のスパークプラグであるにもかかわらず、取り付けられる方向によって着火性の差が大きいという問題を生じるおそれがある。

上記の問題に鑑みて本発明のスパークプラグは、エンジンへの取付けネジ部が形成された主体金具と、該主体金具から火花放電をする先端部端面の突き出し量が３ｍｍ〜７ｍｍである中心電極と、該中心電極を保持すると共に前記主体金具の内周に配置された絶縁体と、一端が前記主体金具に接合され、他端には中心電極に向かう突き出し量が０．３ｍｍ以上である貴金属チップが接合された接地電極と、を備え、前記中心電極と前記接地電極側の貴金属チップとによって形成される火花放電ギャップが１．２ｍｍ以下であるスパークプラグにおいて、
前記接地電極は自身の長軸方向に２段階の曲率半径を持って曲げられており、前記主体金具に接合されている前記一端側の曲率半径をＲとし、前記貴金属チップが接合された前記他端側の曲率半径をｒとしたとき、Ｒ＞ｒ、Ｒ≧４ｍｍ、１ｍｍ≦ｒ≦３ｍｍの関係を有することを特徴とする。以下、曲率半径Ｒを持つ一端側の曲げ部を大Ｒ部といい、曲率半径ｒを持つ他端側の曲げ部を小ｒ部という。

上記のように中心電極の先端部が主体金具の先端面から３ｍｍ〜７ｍｍ突き出す形状であって、火花放電ギャップが１．２ｍｍ以下、接地電極側の貴金属チップの突き出し量が３ｍｍ〜７ｍｍであるスパークプラグにおいて、大Ｒ部の曲率半径を４ｍｍ以上と大きくすることは、主体金具の先端に固定された接地電極は中心電極とほぼ並行になるように先端方向へ伸びていることとなる。そして、大Ｒ部より先端側に位置する小ｒ部が１ｍｍ〜３ｍｍの曲率半径で曲がっているので、接地電極の一端側と中心電極との間隙を従来のものと比較して広くすることができ、接地電極の背面側から混合気が流れ出てきても火花放電部に向かうまでに十分に回り込むことができる。回り込んだ混合気は接地電極の先端部に固定された貴金属チップと中心電極先端部との間で生じる火花放電によって確実に着火される。上記大Ｒ部の曲率半径が４ｍｍ未満であると、接地電極の背面側から流れ込んできた混合気が回り込むことができず、着火性能が大きく低下してしまう。また、小ｒ部が１ｍｍ以下の曲率半径であると、接地電極を大きく曲げる必要があるために、背面側に亀裂を生じやすくなる。反対に、小ｒ部の曲率半径が３ｍｍを超えてしまうと、たとえ大Ｒ部の曲率半径を大きくしたとしても、接地電極の一端側と中心電極との間隙を広くすることができず、着火性能が低下してしまう。したがって、本発明の様に大Ｒ部及び小ｒ部の曲率半径を設定することによって、接地電極の方向による着火性の低下の影響を抑えることができる。

本実施形態のスパークプラグ１００は、図１に示すように中心電極１と、中心電極１を保持する絶縁体２、この絶縁体２を内部に固定し、自身の外周にエンジンへの取付けネジ部３ａを形成した主体金具３、その主体金具３に一端を固定された接地電極４を備える。接地電極４の他端（先端）には貴金属チップ５を有し、中心電極１も同様に先端に貴金属チップ６を有する。

図２に本発明の要部となるスパークプラグ１の先端部の拡大図を示し、その詳細を説明する。中心電極１の先端には貴金属チップ６が溶接され、放電部を形成している。この貴金属チップ６はＩｒを主成分とした合金であり、チップの長さは０．８ｍｍその直径はφ０．６ｍｍである。一方、接地電極４は主体金具３に一端を固定され、先端部の中心電極側の面に突き出し量０．８ｍｍ、チップ直径０．７ｍｍの貴金属チップ５が接合されている。接地電極４はその母材にＮｉ基合金であるＩＮＣ６００（登録商標）を使用している。この接地電極の貴金属チップ５は主成分としてＰｔを８０質量％、Ｒｈを２０質量％含有してなるＰｔ−２０Ｒｈ材を本例では使用している。貴金属チップ５、貴金属チップ６によって形成される火花放電ギャップｇの間隔は０．８ｍｍとした。

上記のスパークプラグを用いて着火性能の確認試験を行った。試験方法は次の通りである。使用したエンジンは２０００ｃｃ、６気筒のものを使用し、アイドル時の回転数を７００ｒｐｍとしてＨＣスパイク法にて行った。ＨＣスパイクが３分間に１０回発生した場合にリーン限界空燃比（Ａ／Ｆ）であることとした。

上記試験を次のような条件において行った。
（１）小ｒ部の曲率半径を２．４ｍｍに固定し、大Ｒ部の曲率半径を２、４、６、８ｍｍと変化させる大Ｒ部に関するリーン限界試験を行った。評価値はＡ／Ｆである。
（２）大Ｒ部の曲率半径を４ｍｍに固定し、小ｒ部の曲率半径を１、２、３、４ｍｍと変化させる小ｒ部に関するリーン限界試験を行った。同様に評価値はＡ／Ｆである。
それぞれの結果をそれぞれ図３、４に示す。なお、図中ＩＮ方向とは接地電極の背面側がインテークマニホールド方向を向いていることを表し、ＥＸ方向とはエキゾーストマニホールド方向を向いていることを表している。

図３に示した試験結果によると、小ｒ部を２．４ｍｍに固定したとき、大Ｒ部は曲率半径が４ｍｍの点を境に大きくなるにつれてＩＮ側、ＥＸ側共にリーン限界が上昇してゆくことが確認された。８ｍｍより大きくする、即ち実質的には接地電極が直棒状に主体金具から延びてゆくような場合はリーン限界の値は飽和するものの、上昇傾向をたどる。一方、４ｍｍより小さくなるとＩＮ側のリーン限界とＥＸ側のリーン限界との差が大きく開いてしまうことが分かる。

図４に示した試験結果によると、大Ｒ部を４ｍｍに固定したとき、小ｒ部の曲率半径を３ｍｍの点を境に、その曲率半径が大きくなるほどＩＮ側のリーン限界とＥＸ側のリーン限界との差が大きく開いてしまうことが分かる。一方、曲率半径が１ｍｍ〜３ｍｍの時には、リーン限界値がほぼ一定であることが確認された。そして、１ｍｍ未満とするためには、その形状を形成するためには接地電極を略直角に曲折させる必要がある。そのような接地電極は曲げ工程の際に大きな応力がかかり、強度が低下してしまう。さらにその接地電極を備えるスパークプラグをエンジンに用いたとすると、さらに熱負荷が小ｒ部にかかることによって、使用中に折損するおそれがあるために現実的ではない。

上記試験から確認できるように、中心電極の先端部が主体金具の先端面から３ｍｍ〜７ｍｍ突き出す形状であって、火花放電ギャップが１．２ｍｍ以下、接地電極側の貴金属チップの突き出し量が３ｍｍ〜７ｍｍであるスパークプラグにおいては、大Ｒ部の曲率半径を４ｍｍ以上且つ、小ｒ部のそれを１ｍｍ〜３ｍｍとすることによって着火性に大きな優位性を持つことが確認された。

本発明のスパークプラグの全体を表す図。 本発明のスパークプラグの要部拡大図。 本発明の大Ｒ部にかかる試験結果。 本発明の小ｒ部にかかる試験結果。

符号の説明

１ 中心電極
２ 絶縁体
３ 主体金具
４ 接地電極
５ 接地電極側貴金属チップ
６ 中心電極側貴金属チップ
７ 大Ｒ部
８ 小ｒ部

Claims (1)

1. エンジンへの取付けネジ部が形成された主体金具と、
   該主体金具から火花放電をする先端部端面の突き出し量が３ｍｍ〜７ｍｍである中心電極と、
   該中心電極を保持すると共に前記主体金具の内周に配置された絶縁体と、
   一端が前記主体金具に接合され、他端には中心電極に向かう突き出し量が０．３ｍｍ以上である貴金属チップが接合された接地電極と、
   を備え、
   前記中心電極と前記接地電極側の貴金属チップとによって形成される火花放電ギャップが１．２ｍｍ以下であるスパークプラグにおいて、
   前記接地電極は自身の長軸方向に２段階の曲率半径を持って曲げられており、前記主体金具に接合されている前記一端側の曲率半径をＲとし、前記貴金属チップが接合された前記他端側の曲率半径をｒとしたとき、Ｒ＞ｒ、Ｒ≧４ｍｍ、１ｍｍ≦ｒ≦３ｍｍの関係を有することを特徴とするスパークプラグ。

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