JPH03501308A - スパークプラグ温度制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 スパークプラグ温度制御 発肌Ω公野 本発明は内燃機関用のスパークプラグおよび火花点火器に関し、特にスパークプ ラグの動作熱範囲を自動的に変化するためのヒートパイプまたは還流冷却器手段 のような動的熱伝達手段を設けたスパークプラグおよび火花点火器に関する。

光肌Ω宣景 スパークプラグのうち特に高速、高圧縮エンジン用のスパークプラグは極端な範 囲の圧力および温度条件で使用される。プラグ温度は低エンジン速度、軽負荷で の約２００°Ｃからフルスロットル、全負荷での８５０°Ｃまでの範囲である。

約４５０°Ｃより低い温度では、燃焼による炭素および他の生成物がプラグイン シュレータノーズに堆積し始める。それらの堆積物は除去されないと、それを介 して電流がショートして電極間で火花が発生しなくなるまで増大する。通常の速 度では、そのような堆積物ができるや否や速やかにそれを燃焼してしまうのに十 分な熱が発生されるのが普通である。

しかしながら、高速、高負荷により、プラグ温度が６００°Ｃ〜７００°Ｃにな ると、完全に燃焼しきれなかった堆積物が不点火の原因となり、燃料と動力の損 失を生ずることになる。プラグ温度が異常に高くなると、プラグポイント自体が シリンダ内の燃料と空気の混合物に点火するのに十分なだけ高くなる。これが自 動着火の原因となり、それが続くと、プラグが破壊し、重大なエンジン破損を生 ずることになる。過熱された電極はまた、燃焼粒子が過熱した電極に衝突して融 けたことによってできた導電性堆積物によって電極が橋絡するというツースドロ ークエンジンで普通に見られる状態の原因ともなりうる。８５０°Ｃ以上のプラ グ温度範囲では、火花焼食や化学的腐食によってプラグが短時間で故障すること になる。

ホット型プラグが高い圧縮圧力、温度および負荷を受けると、プラグの熱伝達が 遅いため、電極焼けや自動点火が生ずることが判る。コールド・プラグは、フル 稼働温度に達することはないから、いかなる時間であっても、低速、軽負荷運転 に耐えず、導電性堆積物で汚れて、不点火の原因となる。

従って、本発明の１つの目的は、エンジンがアイドリング時または低速、低負荷 時に生ずる低いシリンダ温度でプラグが熱くなるように動作温度が自動的に変化 され、それによってプラグの汚れを防止し、高速、高負荷時に生ずるような高い 温度で比較的にクールとなり、自動着火やプラグ電極焼けの原因となるプラグの 過熱を防止するようになされた多熱範囲スパークプラグを提供することである。

先道上■痕躬臣朋 先行技術では、ジエイ・イー・ゲン（米国特許第１３１５２９８号）が、中心電 極に接続された細長い中空導体が少量の水銀を含有したスパークプラグを開示し ている。先行技術ではまた、エイ・エイ・カサルジアン（米国特許第２０９６２ ５０号）が、冷却媒体の熱膨張を補償するために小さな空乏を残してその冷却媒 体をほぼ完全に充満された中空の中心導体を有したスパークプラグを開示してい る。

先行技術ではディ・シュレンバーグはか（英国特許第ＧＢ２０２５５２５Ｂ号） には、１つの実施例では、電極下端から装置の末端にける冷却フィンへ熱を放散 させるためのヒートパイプとして作用するバレル形の中空中心電極を開示した点 火または予備燃焼室装置が教示されている。

発皿立要約 本発明では、スパークプラグの熱範囲が、そのスパークプラグのインシュレータ 穴または中心電極における動的熱伝達手段として作用する中空室における物質の 予め定められた気化冷却によって自動的に変更される。本発明の詳細な説明では 動的熱伝達手段としてヒートバイブを用いることを強調するが、適用場面が許容 すれば、例えば還流冷却器のような他の動的対流熱伝達手段を用いてもよい。熱 伝達物質はほぼスパークプラグの約５００°Ｃ〜９００°Ｃの設計温度で気化す る任意の元素または化合物でありうる。

Ｕ血Ω説皿 第１図は本発明のスパークプラグの１つの実施例の長手方向断面における正両立 面図であり、 第２図は本発明のスパークプラグのひとつの部品の代替的設計の断片的な詳細図 であり、 第３図はエンジンのシリンダヘッドの動作環境での本発明のスパークプラグのさ らに他の実施例の長手方向断面における正両立面図であり、 第４図は本発明で具現される熱伝達手段のための１つの設計の充填手段の部分的 な長手方向断面における断片的な正両立面図であり、 第５〜７図は本発明で具現される他の設計のヒートパイプの部分的な長手方向断 面における断片的な正両立面図である。

ましい　の舌日 ここで図面を参照するさ、第１図に具現された本発明のスパークプラグ１０は従 来の環状メタリックシェル１２を有しており、この環状メタリックシェル１２は 環状の外部シートを有し、それの下方には、減寸された直径のある長さ部分が存 在しており、その長さ部分は、シート１４をシリンダヘッドの環状取り付はボス に気密接触させてエンジンのシリンダのねじ穴にスパークプラグを装着するため の雄ねじ１６である。そのように装着されると、シェルが電気的アースを構成す る。シェル１２にはそれを貫通した穴１８が形成され、その穴１８は肩部２２を 有する第１の部分２０と、減寸された直径の第２の部分２４を有している。その シェルにはスパークプラグをエンジンシリンダヘッドにねじ込むためのレンチに よって係合可能なヘッド２６が設けられている。焼結したアルミナセラミックで 作成されることが好ましい細長い電気的絶縁体２８がシェル１２の穴に受入れら れている。その絶縁体の環状肩部３０がシェルの肩部上に着座する。高い熱伝導 度を有する比較的柔らかい金属の環状スリーブ３２が絶縁体とシェルの穴との間 に配置されている。スリーブ３２は絶縁体をそれに親密な熱的接触をした状態で 取囲んでいて、それが絶縁体の上方肩部３４からシェル肩部２２まで延長してお り、スリーブの下端３６が絶縁体をシェルにシールする作用をするようになされ ている。このスリーブの上端は、インシュレータをシェルにロックするためにこ のシェルの上方リム４０が反転された時にそのインシュレータを保護する作用を する。インシュレータの下方部分４２はそれの着火端部４４までテーパをつけら れている。

インシュレータは第１の直径を有した部分４８と、減寸された直径を有する第２ の部分５０を有する中心穴４６を有しており、前記第２の部分５ｏは中心電極を 受入れるさらに減寸された直径の部分５２までテーパしている。中心導体アセン ブリ５６は端子５８、中心導体ヘッド６０．ヒートバイブロ２、および中心電極 ５４を具備している。端子５８は従来、スパークプラグが装着されるエンジンの 点火系統に接続するための形状構造となされている。この端子は、端部分６６を ヒートバイブロ２の上端に係合するために螺着され得る中心導体ヘッドの一体部 分であり得る。そのヒートパイプは側壁７０と下端壁７２を有する細長い円筒状 の室である。側壁には長手方向の毛管溝７４または他の適当な灯心手段が設けら れている。気化可能なヒートパイプ媒体が通常毛管手段を完全に濡らすのに必要 な量より若干多い量だけそのヒートバイブ内に入れられ、そしてヒートバイブの 上端に上端壁を装着するか、あるいはそれに中心導体シャンクの端部分６６を螺 入することによって気密的にシールされる。ねい付蓋体を用いた場合には、シャ ンク端部を内方または外方にねじで動かすことによってヒートバイブの内部容積 が選択的に調節され得る。公知のように、ヒートバイブにはそれの熱特性を変化 させるために不凝結不活性ガスが導入され得る。スパークプラグの点火端におけ るヒートパイプの下端がヒートバイブの気化ゾーンを形成しており、かつ中心導 体ヘッドに近接したそれの上端が凝縮ゾーンを形成し、それら２つのゾーン間に 断熱ゾーンが存在している。高い熱伝導度を有する環状金属リング７６がヒート パイプとそのヒルドパイブの凝縮ゾーンに近接したインシュレータの中心穴とに 親密な熱的接触をしてそのヒートバイブを包囲している。中心電極５４は、点火 チップ７８をインシュレータの点火端４４から突出させて、インシュレータの中 心大部分５２内に配置されている。シェルの下縁に溶接された接地電極８０は中 心電極の点火チップに対し、それとの間にスパークギャップ８２が形成されるよ うに位置決めされている。中心電極と、ヒートバイブの下端および必要に応じて それの上端とが公知の適当な溶融した導電性セラミックまたはガラス・シール８ ４に埋設され、それら間に電気的および熱的連続性が確保されるようになされて いる。

動作時には、ヒートパイプによって与えられる熱制御を除いて、スパークプラグ １０はエンジンシリンダ内の燃料／空気混合物に点火するように従来の態様で働 く。ある特定の設計温度以下で動作している場合には、ヒートパイプは非伝導状 態にあり、スパークプラグが従来の「ホット」プラグとして作用し、その場合、 点火端部からの熱がインシュレータの下端部を通り、そしてスリーブ３２の下端 部３６によって、シェルを通り、それからエンジンのシリンダヘッドに行き、そ れの冷却系統に放散されるようになされる必要がある。このように熱通路が比較 的長く、かつそのうちのある部分はどちらかと言えば熱伝導度の低い材料を通っ ているから、熱が点火端部からゆっくり伝達され、アイドリングまたは低速運転 の長い期間のあいだでさえ、汚染堆積物を燃やしてしまうのに十分なだけ高い温 度でプラグが作動するようになされる。

これはスパークプラグの「ホット」レンジ（”ｈｏｔ″ｒａｎｇｅ）と考えられ うる。

エンジンシリンダ内の動作温度が設計値より高くなると、中心電極およびインシ ュレータの点火端部からの熱が気化ゾーンにおけるヒートバイブ媒体の気化熱を 与えてそれを気化させ、それによる状態変化がスパーク端部の点火端から熱を抽 出する。気化ゾーン内の蒸気圧が気化に伴って上昇して蒸気を圧力の低い断熱ゾ ーンに、従って凝縮ゾーンに流れさせる。そこでその蒸気が冷却されてし、液化 熱を放出する。その凝縮した媒体は毛管手段の毛管作用によって気化ゾーンに戻 り、点火端部から凝縮ゾーンに熱を伝達する循環が確立される。公知のように、 ヒートバイブんぼ全長にわたる温度勾配は非常に小さく、かつ大量の熱が伝達さ れる。ヒートパイプの凝縮ゾーンからの熱はリング７６を通り、そしてインシュ レータ壁を通り、かつ環状スリーブ３２によって、その熱はシェル肩部に行き、 そしてエンジンのシリンダヘッドに入ってその中で放散される。ヒートパイプの 熱伝導度が高いため、熱は点火端部から迅速に伝達されるのでスパークプラグの 温度が比較的低い値にとどまり、それにより自己点火、早期点火および熱腐食の 問題を回避する。これはスパークプラグの「コールド」レンジ（”ｃｏｌｄ″ｒ ａｎｇｅ）と考えられうる。動作条件によってシリンダ温度が低下して点火端部 温度が設計値以下になると、ヒートパイプは自動的に熱伝導を中止する。このよ うにヒートパイプが非伝導状態になると、スパークプラグはそれの「ホット」レ ンジに移る。

約４５０°Ｃ以下のスパークプラグ温度で生ずる汚れを回避するために、ヒート パイプはほぼその温度以上で、好ましくは４５００Ｃと６００°Ｃの間の温度で 作用するように設計されなければならなず、かつ作動媒体および他の設計パラメ ータもそれに対応して選定されなければならない。

本発明の他の実施例は第３図に示されたスパークプラグ１１０である。スパーク プラグ１１０は第１図の実施例とは異なるインシュレータ１２８を有している。

公知のように、インシュレータ１２８の構造で用いられているアルミナまたは他 のセラミックは優れた電気的絶縁体であるが、それの熱伝導度は低い。この構造 の熱放散特性を改善するために、ヒートパイプの凝縮ゾーンの近傍におけるイン シュレータのウェストにおける環状部分１８６が直径を減寸され、インシュレー タの厚みがそのインシュレータの電気的絶縁要件を満たす最小値まで減寸される ようになされる。

このネックインされた（ｎｅｃｋｅｄ−ｉｎ）環状部分１８６には所要の強度特 性と高い熱伝導度を有する適当な材料１９０が充満されている。

第４図は本発明のスパークプラグ２１０の上方部分を示しており、ヒートパイプ または還流冷却器でありうる動的対流熱伝達手段に気化可能な媒体と、それが用 いられる場合には凝縮不能な不活性ガスとを充満するために設けられ得る手段を 示している。この設計における導体シャンク２６４はそれの長さに沿って延長し た中心穴を有して管状をなしており、かつその中心穴に受入れらでいてそこから それの上端２６９を延長させて中心穴内に受入れられたソフトメタル充填チュー ブ２６７を有している。充填チューブ２６７の穴２７１は適当なヒートバイブ充 填手段（図示せず）に嵌着する寸法を有し得る。ヒートパイプに充填するために 、このヒートバイブ充填手段は所定量の必要なヒートバイブ成分を充填チューブ 内に注入し、そこでその成分が中心穴２６５を通ってヒートパイプに入る。ヒー トパイプの充填に続いて、充填チューブの端部がピンチまたはクリンプによって しっかりと閉塞され、そして通常のやり方のように半田付けされうる。中心穴２ ６５はヒートパイプに用いられる場合には非凝縮性の不活性ガスのための部分的 な溜めとして作用するのに適した寸法を有し得る。

第５図は本発明のスパークプラグの他の実施例３１０を示している。これはイン シュレータの中心穴３４６の下方部分３４８がヒートパイプ３６２の室を形成し ている点で異なっている。従って、中心導体アセンブリの管状導体シャンク３６ ４はヒートパイプ８６２の上端壁を形成する円形の横方向端フランジ３６９を有 している。中心導体シャンクの中心穴３６５はヒートパイプの充填孔として作用 する。必要に応じてヒートパイプのために下方端壁（図示せず）が設けられる。

ヒートパイプの側壁を形成するインシュレータ中心穴の下方部分の壁には導電性 の毛管灯心手段３７４が設けられている。動作時には、この実施例のスパークプ ラグ３１０は、ヒートパイプが直接インシュレータ中心穴に生じ、装置の熱伝達 特性が改善されるようになされている点を除けば、前述した実施例と同一の動作 をする。

本発明のスパークプラグのさらに他の実施例４１０が第６図に示されている。こ の実施例では、中心導体アセンブリの導体シャンク４６４がヒートバイブ室を通 って延長しており、かつヒートパイプの下端壁を形成する円形横方向端フランジ と、ヒートパイプの上端壁を形成する上方円形横方向フランジ４６９を有してい る。中心導体の中心穴４６５と横方向通路４６６はヒートパイプのための充填手 段として作用する。スパークプラグ４１０の特性は、中心導体シャンクが中心電 極への電流通路を提供しているので、非導電性灯心手段４７４が用いられ得る点 を除き、第５図の実施例と同じである。

本発明のスパークプラグの他の実施例５１０が第７図に示されている。しかし、 壁灯心の代りに、毛管溝または他の適当な灯心手段が中心導体の下方シャンク５ ６４の周辺表面上に設けられており、かつヒートパイプの上端壁として作用する フランジ５６９の下面５６７は灯心手段５７５の適当な厚みを有している。

この説明では、動的熱伝達手段のためのヒートパイプを用いることが強調された が、先に指摘したように、火花発生装置が直立状態で垂直に取り付けられて、動 作温度が維持された点火端部における気化ゾーンに凝縮物を重力が戻すようにな された用途では、還流冷却器型対流熱伝達手段が用いられる。このようなデザイ ンでは、設計温度を超えた時に、点火端部における作動媒体が気化し、それの状 態の変化がその媒体から熱を抽出する。蒸気は蒸気圧によって低い温度の領域に 移動し、そこでその領域を画している壁に凝縮する。その凝縮物は重力によって 気化ゾーンに逆流し、設計温度を超えるまでこのサイクルが反復される。凝縮物 を気化ゾーンに戻すために重力が用いられるかぎり、その機能を発揮するために 毛管灯心を設けることは必要でないことが判るであろう。

従って、第４図に示されているように、設計上熱伝達手段として還流冷却器を用 いる場合には、インシュレータの中心穴２４６の壁には毛管灯心手段を設ける必 要がない。動的熱伝達手段としてインシュレータ中心穴ではなくて中心導体の穴 が利用される場合にも、それと同じ条件が当てはまる。従って、例えば端子から 中心電極までの電気的連続性が導電性の毛管灯心３７４を用いることによって確 保されている第５図に示された本発明のスパークプラグの実施例３１０のような 設計で熱伝達の還流冷却器手段が用いられる場合には、毛管灯心は必要とされず 、インシュレータ中心穴３４６の壁に、端子と中心電極との間の火花発生電流に 対する金属等の導電性被覆が設けられるであろう。

国際調査報告

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．エンジン内の燃焼温度の変化に従って動作熱範囲を自動的に変化するための 動的対流熱伝導手段をする内燃機関用スパークプラグであって、端子端部と内部 点火端部を有し、かつ接地電極を担持しかつスパークプラグを動作できようにエ ンジンに装着するための雄ねじを有する管状金属シェルと、内端ノーズ部分にテ ーパを付けられており、前記シェルの穴に対して半径方向に離間した関係で前記 シェルに受入れられた電気的インシュレータと、前記インシュレータにおける中 心穴に受入れられた中心導体アセンブリを具備し、前記中心導体アセンブリは少 なくとも前記電気的端子と、中心導体シャンクと、前記熱伝達手段と、前記熱伝 達手段に充填するための手段と、間にスパークギャップが形成されようにして前 記接地電極に対して位置決めされた点火端部を有している中心電極を有しており 、前記熱伝達手段は気密シールされ、かつ気化可能な熱伝達手段媒体を含んでい るとともに、気化ゾーンと、凝縮ゾーンと、それら間の断熱ゾーンを有しており 、前記凝縮ゾーンと熱的に接触してそれから熱を抽出して実質的に前記エンジン 内に放散させるための熱伝導手段が設けられ、前記熱伝達手段は設計温度以下で は熱的に非伝導状態にあり、従って前記スパークプラグの点火端部が熱くなって その上に定着した汚れ堆積物を焼失させ、前記熱伝達手段内の前記気化可能な媒 体を前記設計温度以上で気化させ、それの状態の変化が前記点火端部から熱を抽 出し、前記蒸気が蒸気圧によって前記凝縮ゾーンに移動しかつ凝縮してそれの熱 を状態の変化によって釈放し、凝縮された媒体が続いて前記気化ゾーンに戻り、 スパークプラグ温度が前記設計温度を超えた時に前記点火端部からの熱を伝達す る循環が確立され、その媒体の過熱が回避され、前記循環は前記設計温度以下で 中断して熱伝達手段を熱的に非伝導状態となし、これにより前記熱伝達手段が前 記スパークプラグの動作熱範囲を自動的に制御するようになされた内燃機関用ス パークプラグ。
2. ２．インシュレータの中心穴の壁が熱伝達手段の側壁と、前記熱伝達手段の上壁 および下壁を画定する手段と、前記スパークプラグの端子端部と点火端部との間 に電気的連続性を与える手段を形成している請求の範囲第１項に記載されたスパ ークプラグ。
3. ３．熱伝達手段がヒートパイプである請求の範囲第１項または第２項に記載され たスパークプラグ。
4. ４．熱伝達手段が還流冷却器である請求の範囲第１項または第２項に記載された スパークプラグ。
5. ５．中心導体シャンクが熱伝達手段と流体連通した軸穴を有しており、かつ前記 熱伝達手段に充填するために前記軸穴に関連された充填手段が設けられている請 求の範囲第１項または第２項に記載されたスパークプラグ。
6. ６．エンジンのシリンダヘッドには、前記スパークプラグに対するヒートシンク を与えるための冷却手段が設けられており、熱伝達手段が高い熱伝導度を有し、 前記インシュレータをそれに対して親密な熱的接触をして閉じ込めている管状ス リーブを具備しており、前記スリーブは前記ヒートパイプの凝縮ゾーンに近接し た前記インシュレータの領域から前記シリンダヘッド上に着座した前記シェルの 領域に近接した前記シェルの穴まで延長しており、それによって前記ヒートパイ プから前記ヒートシンクまでの伝導度の高い熱的通路が設けられている請求の範 囲第１項または第２項に記載されたスパークプラグ。
7. ７．電気的インシュレータが比較的劣悪な熱的導体であり、かつ前記ヒートパイ プからの熱放散の通路内における比較的劣悪な熱伝導性材料の厚さを減少させる ために前記ヒートパイプの凝縮ゾーンに近接したネックインされた環状の領域を 有しており、前記ネックインされた領域が比較的良好な熱伝導性材料で形成され ている請求の範囲第１項または第２項に記載されたスパークプラグ。
8. ８．熱伝達手段の容積を選択的に変化させてそれの熱的特性を変えることができ るようにした請求の範囲第１項または第２項に記載されたスパークプラグ。
9. ９．細長い中心導体が下方の熱伝達手段端部と上方の端子端部を有し、かつヒー トパイプの容積を選択的に変化させるための手段が前記熱伝達手段の上方冷却器 端部の穴内のねじ部分と、前記上方端子端部の下端におけるねじ部分であり、前 記上方端子端部の前記下端が前記上方冷却器端部に螺入されて、前記熱伝導手段 の容積を変えるために前記端子端部が内方または外方にねじ式に移動できるよう になされた請求の範囲第８項に記載されたスパークプラグ。
10. １０．ヒートパイプがそれの凝縮ゾーンからそれの気化ゾーンまで延長した毛管 手段を有しており、かつ上方および下方壁手段と毛管手段が導電性であり、毛管 手段がヒートパイプの壁上にある請求の範囲第３項に記載されたスパークプラグ 。
11. １１．ヒートパイプがそれの凝縮ゾーンからそれの気化ゾーンまで延長した毛管 手段を有しており、中心導体シャンクがヒートパイプ中を延長して端子端部と点 火端部との間に電気的連続性を与え、かつ毛管手段がヒートパイプの壁上にある 請求の範囲第３項に記載されたスパークプラグ。
12. １２．ヒートパイプがそれの凝縮ゾーンからそれの気化ゾーンまで延長した毛管 手段を有しており、中心導体シャンクがヒートパイプ中を延長して端子端部と点 火端部との間に電気的連続性を与え、かつ毛管手段が前記中心導体シャンク上お よび少なくとも前記ヒートパイプの上壁の内表面上にある請求の範囲第３項に記 載されたスパークプラグ。 代理人　弁理士　山元　俊仁