JP2008123989A - 内燃機関用スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【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^２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^２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。
【選択図】 図２

Description

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。

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。

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。

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。

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。
特開２０００−２４３５３５号公報

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。

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^２≦Ｓ１≦０．９５ｍｍ^２、
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^２）と、前記接地電極チップの軸直交断面積Ｓ２（ｍｍ^２）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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^２）との関係を２ｍｍ^２≦Ｓ３≦{（Ｋ−９．２）／１．４}ｍｍ^２に設定している。

上記構成によれば、接地電極の酸化腐食を防止できる。

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。

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。

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。

上記構成によれば、着火性を確保できる。

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。

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。

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。

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。

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^２≦Ｓ２≦０．９５ｍｍ^２に設定している。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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^２である。

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。

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^２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。

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^２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。

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^２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^２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^２≦Ｓ１≦０．９５ｍｍ^２（断面が円形の場合は換算し、０．３ｍｍ≦ｄ１≦１．１ｍｍ）に設定される。

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。

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。

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。

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^２を示す。

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。

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。

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^２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。

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^２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。

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。

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。

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。

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^２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^２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^２）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^２）＋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^２以上を必要とし接地電極位置長さＫの長さに応じ、
Ｓ３（ｍｍ^２）≦（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^２≦Ｓ３（ｍｍ^２）≦（Ｋ（ｍｍ）−９．２（ｍｍ））／１．４となる。

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^２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。

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^２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。

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。

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^２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^２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^２≦Ｓ２≦０．９５ｍｍ^２（断面が円形の場合は換算し、０．３ｍｍ≦ｄ２≦１．１ｍｍ）に設定される。

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。

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。

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。

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。 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。 （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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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

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

Claims (11)

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^２≦Ｓ１≦０．９５ｍｍ^２、
   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^２）と、前記接地電極チップの軸直交断面積Ｓ２（ｍｍ^２）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。
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。
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。
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。
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^２）との関係を２ｍｍ^２≦Ｓ３≦{（Ｋ−９．２）／１．４}ｍｍ^２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。
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。
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。
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。
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。
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^２≦Ｓ２≦０．９５ｍｍ^２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。
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。