JP5845246B2 - アンダーカットを有する絶縁体を備えた、ねじ山の位置が高い点火プラグ - Google Patents

Description

本出願は、一般に内燃機関用の点火プラグに関し、より具体的には、点火プラグの絶縁体に対する負荷を低減する、留めナットから絶縁体への境界面に関する。

従来の点火プラグの構造は、金属ケースの一端の近くのねじ山と、金属ケースのねじ切りされた終端から反対端を越えて延在するセラミック絶縁体とを有する環状の金属ケースを含む。中央の電極が、この絶縁体を通って延在し、ねじ切りされた終端の近くに露出される。中央の電極は、絶縁体の反対端から延在する端子にも電気的に接続される。この端子は、点火プラグの点火コードに取り付けられるように構成されている。

シリンダブロックの先端部の点火プラグを密閉するために加えられる力は、ねじ切りされた金属ケースに伝達されるトルクによるものであり、したがって、金属ケースのねじ部は、頑丈なうえに相当のサイズでなければならない。金属ケースの一部分は、ねじ部にトルクを与えるためにソケットツールによって係合されるように構成された留めナットを有するように形成される。ねじ部は、ソケットツールによって係合される留めナットから離れて配置される。

燃焼室からのガスの排気の効率的制御を助長するために、弁のサイズが増大されることがある。弁が大きくなると、点火プラグをねじ結合で受け取ることができる燃焼室の壁領域の減少をもたらす可能性があり、その結果として、点火プラグを受け取る穴のサイズを縮小する必要性が、場合によっては点火プラグの全長を増加する必要性があり得る。したがって、これらの縮小されたサイズの穴に関連して、点火プラグの直径も、相応して縮小されることになる。

点火プラグの直径が縮小すると、取外しのときに点火プラグを接地シールドに保持する能力が低下する恐れがある。この問題を抑制するために、より高強度の鋼の留めナットが使用されてもよいが、より高強度の鋼の留めナットを絶縁体に組み付けると、組立て中に、絶縁体には、より大きな負荷が与えられることになる。

したがって、本発明者は、絶縁体に対する負荷を低減する、留めナットから絶縁体への境界面を設けることが望ましいことを認識した。

本発明の例示的実施形態は、内燃機関用の点火プラグに関する。この点火プラグは、一端に中心電極チップを有し、他端に近接している端子を有する細長い中心電極と、中心電極の一部分を取り囲む絶縁体であって、絶縁体の外面に形成されたチャンネルを有する絶縁体と、絶縁体を取り囲む留めナットであって、留めナットの遠位末端が絶縁体と接触しないようにチャンネルに対して位置合わせされている留めナットとを有する。

本発明の例示的実施形態は、点火プラグを形成する方法にも関し、この方法は、点火プラグの外側シェルに絶縁体を挿入するステップであって、絶縁体が、第１の部分、第２の部分および第３の部分を有し、第１の部分が絶縁体の一端に配置され、第３の部分が絶縁体の反対端に配置され、第２の部分が第１の端部と第３の端部の間に配置されており、第２の部分と第３の部分の間にチャンネルが配置され、第２の部分が、第１の部分および第３の部分より厚く、絶縁体が、チャンネルと第２の部分の間に配置された肩部をさらに備えるステップと、絶縁体の肩部を、外側シェルの留めナットに近接した外側シェルの内側の肩部と接触させるステップであって、留めナットのいかなる部分も絶縁体と直接接触することがないように、内側の肩部および留めナットが、留めナットとチャンネルの間に空隙をもたらすように構成されるステップと、絶縁体の第１の部分と第２の部分の間に配置されている絶縁体の別の肩部と外側シェルの遠位末端の間に接地シールドを固定するステップとを含む。

本発明の例示的実施形態による点火プラグの断面図である。 図１に示された例示的点火プラグの側面図である。 図１の線３−３に沿った視野を示す図である。 図１の一部分の拡大図である。

図１〜図４は、本発明の例示的実施形態の全体構造を示しており、点火プラグ１０が示されている。点火プラグ１０は、内燃機関用に設計されている。点火プラグ１０の内燃機関への設置は、点火プラグの一部分が、エンジン先端部（図示せず）に設けられているねじ切りされた穴を通ってエンジンの燃焼室（図示せず）の中へ突出するように点火プラグ１０を構成することによって実現される。点火プラグ１０は、点火プラグの軸方向の長さに沿って延在する円筒状の中心電極１２と、中心電極１２の一部分を同心的に取り囲む、セラミックまたは類似のもので構成された絶縁体１４とを含む。外側シェル１６が、絶縁体１４の一部分を取り囲む。

図示の実施形態では、中心電極１２は、一端にチップ１８を有する円筒状の本体を有し、中心電極１２の、チップ１８に対して反対側の終端２０は、導電性ガラスシール２４を介して円筒状の端子スタッド２２に電気的に接続される。もちろん、終端２０と端子スタッド２２の間に導電性機構を設けるために、他の同等の材料が用いられてよい。一実施形態では、導電性ガラスシール２４は、ファイヤド−イン（ｆｉｒｅｄ−ｉｎ）・シールであり得る。ガラスシールは、端子スタッド２２と中心電極１２の間の電気的接続として働く。端子スタッド２２には、プラグが設置されているときにプラグに電流を供給する点火ケーブル（図示せず）に取り付けるように構成されて絶縁体から突出する端子ナット２６がさらに備わっている。代替実施形態では、端子スタッド２２と中心電極１２の間に抵抗素子が配置されてよい。

中心電極１２は、例えばインコネル、別のニッケルベースの合金、または他の適切な金属もしくは合金などの高度に耐熱性かつ耐食性の金属材料で従来のものより長い被覆によって覆われた、例えば銅などの高度に熱伝導性の金属材料で作製されたコアを備えてよい。さらに、中心電極１２は、金、パラジウム、またはプラチナ合金から作製されたものなどの貴金属チップ２８を、適切な点火プラグの機能を可能にするために、熱伝達を改善し、かつ火花間隙を維持するように中心電極チップ１８に接合される、例えば平坦なものまたは細線などといった任意の適切な形態で有することになる。関連技術で知られているように、端子スタッド２２は、ニッケルめっき仕上げなど、これに限定されない任意の適切な仕上げを伴う、鋼または鋼ベースの合金材料を含むことができる。

図示のように、絶縁体１４は、それぞれが別々の直径を有する第１の絶縁体区間３０、第２の絶縁体区間３２、および第３の絶縁体区間３４を有する、実質的に円筒状の細長い本体を有する。第１の絶縁体区間３０は、実質的に中心電極１２を取り囲み、先細りの、またはフレアーの構成３８を有する遠位末端３６で終結する。第２の絶縁体区間３２は、第１の絶縁体区間３０と第３の絶縁体区間３４の中間に配置されており、第２の絶縁体区間の直径は、他の２つの絶縁体区間の直径より大きい。第２の絶縁体区間３２と、より狭い第１の絶縁体区間３０は、肩部４０によって互いに区分されている。

点火プラグ１０は、外側シェル４２および接地シールド４４をさらに備える。外側シェル４２は、一端の留めナット部分４６および反対端の内燃機関座面部分４８をさらに備える。内燃機関の燃焼室と連絡するほぼ円筒状の開口のねじ部とねじ係合するように構成された複数のねじ山５０が、留めナット部分（ロックナット部分）４６と内燃機関座面部分４８の間に配置される。外側シェル４２のねじ部は、絶縁体の第２区間３２を取り囲むように構成される。ロックナット部分４６は、ロックナットのねじが弛められたとき点火プラグが螺旋形のパターンで取り出され得るように外側シェル４２と一体化して形成され、ごくわずかな傾きで簡単かつ直接的に取り出される。点火プラグ１０をエンジン穴に対してねじで出し入れするために、適切なソケットツールが外側シェルのロックナット４６と係合することができる。

外側のシェル４２の内燃機関座面部分４８は、点火プラグ１０の組立てが完了したとき、外側シェル４２のねじ切りされた区間の下に位置して絶縁体の肩部４０に対して並置して位置合わせされている接地シールド４４の相補形のフレアーの区間５２に重なるフレアー部分を含む。この接続点で、接地シールド４４と外側シールド（外側シェル）が互いに固定され、その中に絶縁体１４が捕捉されている。

次に、特に図１および図４を参照して、絶縁体１４は、絶縁体の外面に形成されたチャンネル５４をさらに備え、チャンネルは、絶縁体の第２の部分３２と第３の部分３４の間に配置された絶縁体の区間５６をもたらす。区間５６は、第２区間３２および第３区間３４の隣接した部分より薄い、低減された厚さを有する。また、チャンネル５４は、絶縁体１４が外側シェル４２および接地シールド４４に固定されたとき、外側シェル４２の留めナット４６の部分に位置合わせされるように配置される。チャンネル５４は、留めナット４６の背後の外側シェル４２の内面６０とチャンネル５４によって画定された絶縁体１４の外面の間に間隙５８をもたらすようにさらに構成される。この間隙は、留めナット４６が、チャンネル５４上に配置された絶縁体１４の第３区間３４上に配置された絶縁体１４の円筒部面上の絶縁体１４と直接接触するのを防止し、したがって留めナット４６が絶縁体１４に伝達する荷重を変化させる。従来設計では、留めナット４６が、ちょうど円筒部の境界面で絶縁体１４に直接接触することを許され、このことが、絶縁体１４の半径に非常に高い応力を生成して、より小さな衝撃で壊れさせる。

そのうえ、この接触ポイントを解消することにより、より高強度の鋼の外側シェル４２に必要とされる、より大きな圧着の圧縮力が、セラミック絶縁体１４に対する大きな引張り荷重を生成せず、このことによって絶縁体１４が衝撃に対してより強くなるので、一体型の鋼の留めナット部分を有するより高強度の外側シェルが使用され得る。高強度鋼の限定的でない実例には、所望の品質をもたらすために炭素またはステンレス鋼を増量したものがある。高強度鋼の限定的でない実例には、ＡＳＴＭ Ａ１００８およびＡＳＴＭ Ａ１０１４〜１０１９の規格に従って製作されたものがある。

したがって、上記で論じられたように、留めナット部分の背面が絶縁体の円筒部面に接触せず、したがって、このことが、セラミックに応力が与えられる様子を変化させ、すなわち、留めナットは、留めナットの背後の空き領域の、絶縁体に対する応力を低減する。例えば、外側シェルの絶縁体に対する確保または「熱間圧縮」のために、留めナットは、セラミックにおける垂直な力または引張り荷重の角度の力を与えないはずである。したがって、セラミックが、留めナットによってセラミックに引張り荷重の角度で与えられる力のために疲労したり壊れたりする可能性は低い。また、外側シェルがより高強度であると、ねじ山の位置が高い点火プラグを、取外しのときにその接地シールドに保持する能力が向上する。

外側シェルの留めナットとねじ山の境界面に近接して、絶縁体１４の相補形の肩部６４と係合するように構成された内側の肩部６２がある。図示のように、肩部６４は、絶縁体のチャンネル部分５４と第２の部分３２の間に配置される。

チャンネル５４の反対端では、絶縁体壁の厚さがポイント６８で増加し、絶縁体１４は、留めナット４６の部分によって画定された開口７０通って延在する。その後、第３の絶縁体区間３４が、外側シェル４２の留めナット４６から突出する。

組立て中に、絶縁体１４は、外側シェル４２に対して矢印７２の軸方向に挿入され、次いで、内燃機関座面部分４８は、絶縁体が、絶縁体の肩部６４および４０によって外側シェル４２と接地シールド４４の組立体の内部に捕捉されるように、接地シールドのフレアー部分５２の上に押しつけられる。

その後、点火プラグ１０が留めナット４６によってエンジン穴の中へねじ込まれるとき、留めナット４６が円筒部の境界面で絶縁体１４と直接接触することはない。その結果として、内燃機関座面部分４８が、エンジン穴（図示せず）の相補形の封止座面部分と係合することになり、したがって、接地シールド４４とエンジンヘッドの間の電気的接地の接続を確立し、同時に燃焼室を周囲の環境から密閉する。

したがって、組み立てられた外側シェル４２と接地シールド４４がユニットとして機能する。代替構成では、接地シールド４４とリテーナを一緒に固定するために、外側シェル４２の内燃機関座面部分４８と接地シールド４４の部分５２も、ろう付け、レーザー溶接、抵抗溶接、またはプラズマ溶接などの接合技法を用いて互いに接合され得る。本発明の例示的実施形態では、外側シェル４２の内燃機関座面部分４８は、接地シールド４４のフレアー部分５２に対して「熱間圧縮される」。また、接地シールド４４は、中心電極チップ上に延びる接地電極を有する接地用ストラップも備えてよい。そのうえ、点火プラグは、様々な他の構成を有してもよい。点火プラグと接地シールド／接地ストラップの構成の限定的でない実例は、米国特許第５，０９１，６７２号、米国特許第５，６９７，３３４号、米国特許第５，９１８，５７１号、および米国特許第６，１０４，１３０号、ならびに米国特許出願公開第２００８／０２７２６８３号、米国特許出願公開第２００９／００７９３１９号、米国特許出願公開第２００９／０１２１６０３号、米国特許出願公開第２００９／０１８９５０３号、米国特許出願公開第２００９／０１８９５０５号、および米国特許出願公開第２００９／０１８９５０６号に見いだされ、それぞれが参照によって本明細書に組み込まれる。

外側シェル４２は、ニッケルめっきした炭素鋼ベースの合金などの導電性金属材料を含むことになり、ねじ切りされた区間は、約１２〜１６ｍｍ以下のねじ外径を有することができ、また、ねじ切りされていない区間は、前述のように、小さな直径の点火プラグを提供して、より大きなエンジン空間を与えるために、約６〜１０ｍｍの外径を有することができる。

外側シェル４２の形状、サイズ、および特定の構造は、もちろん設計ごとに大幅に変化する可能性があり、したがって、外側シェル４２および点火プラグ１０の前述の寸法の属性は、単に限定的でない実例として提供されたものであり、本発明の例示的実施形態は、これらの値より大きなサイズまたはより小さなサイズを企図する。

さらに、ろう付け、レーザー溶接、抵抗溶接、またはプラズマ溶接などの任意の適切な接合技法により、中心電極チップおよび接地電極ストラップに貴金属チップを接合することができる。

絶縁体は、中心電極をしっかりと保持する一方で中心電極と接地シールドの間の電気的短絡を防止するように、例えばアルミナセラミックなどの非導電セラミック材料から形成される。もちろん、その他の適切な同等の材料が用いられてよい。

本発明が、例示的実施形態を参照しながら説明されてきたが、当業者には、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が行なわれ得ること、また、等価物が、本発明の要素の代わりになり得ることが理解されよう。また、本発明の教示の基本的範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を同範囲に適合させるために、多くの修正が行なわれ得る。したがって、本発明は、本発明を実行するために企図された最善の様式として開示された特定の実施形態に限定されることなく、添付の特許請求の範囲およびそれらの法的に同等の範囲に入る実施形態をすべて含むように意図されている。

Claims (20)

1. 一端に中心電極チップを有し、他端に近接している端子を有する細長い中心電極と、
   前記中心電極の一部分を取り囲む絶縁体であって、前記絶縁体の外面に形成されたチャンネルを有する絶縁体と、
   前記絶縁体を取り囲む留めナットであって、前記チャンネルを形成することで前記留めナットと前記絶縁体との間にもたらされた空隙によって前記留めナットの遠位末端が前記絶縁体と接触しないように前記チャンネルに対して位置合わせされている留めナットと
   を備える内燃機関用の点火プラグ。
2. 請求項１に記載の点火プラグであって、前記留めナットのいかなる部分も、前記絶縁体の円筒部と直接接触することがない、点火プラグ。
3. 請求項２に記載の点火プラグであって、前記絶縁体が、第１の部分、第２の部分および第３の部分を有し、前記第１の部分が前記絶縁体の一端に配置されており、前記第３の部分が前記絶縁体の反対端に配置されており、前記チャンネルが、前記第２の部分と前記第３の部分の間に配置され、前記第２の部分が、前記第１の部分および前記第３の部分より厚い、点火プラグ。
4. 請求項１に記載の点火プラグであって、前記留めナットが、前記絶縁体の一部分を取り囲む外側シェルと一体化して形成され、前記留めナットに近接した前記外側シェルの外面がねじ部を有する、点火プラグ。
5. 請求項４に記載の点火プラグであって、前記留めナットが、前記外側シェルの一端に配置され、前記外側シェルの反対端が、前記外側シェルの内燃機関座面部分を画定し、前記ねじ部が、前記留めナットと前記内燃機関座面部分の間に配置される、点火プラグ。
6. 請求項５に記載の点火プラグであって、前記絶縁体が、第１の部分、第２の部分および第３の部分を有し、前記第１の部分が前記絶縁体の一端に配置されており、前記第３の部分が前記絶縁体の反対端に配置されており、前記チャンネルが、前記第２の部分と前記第３の部分の間に配置され、前記第２の部分が、前記第１の部分および前記第３の部分より厚い、点火プラグ。
7. 請求項６に記載の点火プラグであって、前記絶縁体が、前記チャンネルと前記第２の部分の間に配置された肩部をさらに備え、前記肩部が、前記外側シェルの前記留めナットとねじ部の境界面に近接した前記外側シェルの内側の肩部と直接係合するように構成されている、点火プラグ。
8. 請求項７に記載の点火プラグであって、前記留めナットが開口を形成し、前記チャンネルが、前記外側シェルの前記内側の肩部から前記留めナットの遠位末端に向かって延在して前記開口を形成し、その後、前記絶縁体の厚さが増加して前記絶縁体の第３の部分をもたらす、点火プラグ。
9. 請求項８に記載の点火プラグであって、前記外側シェルの前記内側の肩部から前記留めナットの前記遠位末端に向かって延在する前記留めナットのいかなる部分も、前記絶縁体と直接接触することがない、点火プラグ。
10. 請求項９に記載の点火プラグであって、前記絶縁体が、非導電セラミック材料から作製される、点火プラグ。
11. 請求項９に記載の点火プラグであって、前記中心電極が前記絶縁体の一端から延在し、前記絶縁体の反対端から端子スタッドが延在する、点火プラグ。
12. 請求項９に記載の点火プラグであって、前記絶縁体が、前記第１の部分と前記第２の部分の間に配置された別の肩部をさらに備え、前記別の肩部が、前記外側シェルの前記内燃機関座面部分と前記別の肩部の間に配置された接地シールドの遠位末端と係合するように構成されている、点火プラグ。
13. 請求項１２に記載の点火プラグであって、前記留めナットが開口を形成し、前記チャンネルが、前記内側の肩部から延在して、前記開口を形成する前記留めナットの遠位末端を通り、その後、前記絶縁体の厚さが増加して、前記絶縁体の第３の部分をもたらす、点火プラグ。
14. 点火プラグを形成する方法であって、
    前記点火プラグの外側シェルに絶縁体を挿入するステップであって、前記絶縁体が、第１の部分、第２の部分および第３の部分を有し、前記第１の部分が前記絶縁体の一端に配置されており、前記第３の部分が前記絶縁体の反対端に配置されており、前記第２の部分が、前記第１の部分と前記第３の部分の間に配置され、前記第２の部分と前記第３の部分の間にチャンネルが配置され、前記第２の部分が、前記第１の部分および前記第３の部分より厚く、前記絶縁体が、前記チャンネルと前記第２の部分の間に配置された肩部をさらに備えるステップと、
    前記絶縁体の前記肩部を、前記外側シェルの留めナットに近接した前記外側シェルの内側の肩部と接触させるステップであって、前記留めナットのいかなる部分も前記絶縁体と直接接触することがないように、前記内側の肩部および前記留めナットが、前記チャンネルを形成することによって前記留めナットと前記絶縁体との間に空隙をもたらすように構成されているステップと、
    前記絶縁体の別の肩部と前記外側シェルの遠位末端の間に接地シールドを固定するステップであって、前記別の肩部が、前記絶縁体の前記第１の部分と前記第２の部分の間に配置されているステップとを含む、点火プラグを形成する方法。
15. 請求項１４に記載の点火プラグを形成する方法であって、前記絶縁体が、第１の部分、第２の部分および第３の部分を有し、前記第１の部分が前記絶縁体の一端に配置されており、前記第３の部分が前記絶縁体の反対端に配置されており、前記チャンネルが、前記第２の部分と前記第３の部分の間に配置され、前記第２の部分が、前記第１の部分および前記第３の部分より厚い、点火プラグを形成する方法。
16. 請求項１４に記載の点火プラグを形成する方法であって、前記留めナットが、前記絶縁体の一部分を取り囲む外側シェルと一体化して形成され、前記留めナットに近接した外側シェルの外面がねじ部を有する、点火プラグを形成する方法。
17. 請求項１６に記載の点火プラグを形成する方法であって、前記留めナットが、前記外側シェルの一端に配置され、前記外側シェルの反対端が、前記外側シェルの内燃機関座面部分を画定し、前記ねじ部が、前記留めナットと前記内燃機関座面部分の間に配置される、点火プラグを形成する方法。
18. 請求項１７に記載の点火プラグを形成する方法であって、前記絶縁体が、第１の部分、第２の部分および第３の部分を有し、前記第１の部分が前記絶縁体の一端に配置されており、前記第３の部分が前記絶縁体の反対端に配置されており、前記チャンネルが、前記第２の部分と前記第３の部分の間に配置され、前記第２の部分が、前記第１の部分および前記第３の部分より厚い、点火プラグを形成する方法。
19. 請求項１８に記載の点火プラグを形成する方法であって、前記絶縁体が、前記チャンネルと前記第２の部分の間に配置された肩部をさらに備え、前記肩部が、前記外側シェルの前記留めナットとねじ部の境界面に近接した前記外側シェルの内側の肩部と係合するように構成されている、点火プラグを形成する方法。
20. 請求項１９に記載の点火プラグを形成する方法であって、前記留めナットが開口を形成し、前記チャンネルが、前記外側シェルの前記内側の肩部から前記留めナットの遠位末端に向かって延在して前記開口を形成し、その後、前記絶縁体の厚さが増加して、前記絶縁体の第３の部分をもたらす、点火プラグを形成する方法。

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