スパークプラグの機能
スパークプラグは、ガソリンエンジンの点火システムにおいて重要な構成要素です。燃焼室に高電圧を供給し、電極間ギャップを飛び越えて火花を発生させ、シリンダー内の可燃性混合気に点火します。スパークプラグは主に、接続ナット、絶縁体、接続ネジ、中心電極、側方電極、およびハウジングで構成されています。側方電極はハウジングに溶接されています。
スパークプラグは、一般に「点火ノズル」とも呼ばれ、高電圧線（点火ノズル線）から送られるパルス状の高電圧電流を放出し、スパークプラグの2つの電極間の空気を破って電気火花を発生させ、シリンダー内の混合ガスに点火する役割を果たします。主な種類としては、準型スパークプラグ、エッジボディ突出型スパークプラグ、電極型スパークプラグ、シート型スパークプラグ、電極型スパークプラグ、面ジャンプ型スパークプラグなどがあります。
スパークプラグはエンジンの側面または上部に取り付けられます。初期の頃は、スパークプラグはシリンダーワイヤーを介してディストリビューターに接続されていました。ここ10年ほどで、小型車のほとんどのエンジンは、点火コイルがスパークプラグに直接接続されるように改造されています。スパークプラグの動作電圧は少なくとも10,000Vです。この高電圧は、12Vの電力から点火コイルによって生成され、スパークプラグに伝達されます。
高電圧の影響下では、点火プラグの中央電極と側方電極の間の空気は急速に電離し、正に帯電したイオンと負に帯電した自由電子を生成します。電極間の電圧が一定の値に達すると、ガス中のイオンと電子の数が雪崩のように増加し、空気の絶縁性が失われます。ギャップ内に放電路が形成され、「絶縁破壊」現象が発生します。このとき、ガスは発光体を形成し、これを「火花」と呼びます。熱によって膨張する際に、「ポンポン」という音も発生します。この電気火花の温度は2000～3000℃にも達し、シリンダーの燃焼室内の混合気に点火するのに十分な温度です。
発熱量によって、冷型と熱型があります。電極材料によって、ニッケル合金、銀合金、白金合金などがあります。より専門的に言うと、スパークプラグの種類はおおよそ以下のようになります。
準型スパークプラグ：絶縁スカートがハウジングの端面にわずかに引き込まれており、側面電極がハウジングの端面から突き出ている。最も広く使用されているタイプである。
エッジボディ突出型スパークプラグ：絶縁スカートが比較的長く、ハウジングの端面から突出しています。これにより、大きな熱吸収性と優れた防汚性という利点があります。さらに、吸気によって直接冷却されるため温度が下がり、高温点火を起こしにくくなります。そのため、幅広い温度範囲に対応できます。
電極式スパークプラグ：電極が非常に細く、強力な火花と優れた着火性能が特長です。寒冷地でもエンジンの始動を迅速かつ確実に行うことができます。幅広い温度範囲に対応し、様々な用途に使用可能です。
シート型スパークプラグ：ハウジングとねじ山が円錐形になっているため、ガスケットなしでも良好な密閉性を維持でき、スパークプラグの体積を削減し、エンジンの設計に有利になります。
極性スパークプラグ：側面電極は通常2個以上あります。利点は、確実な点火が可能で、ギャップを頻繁に調整する必要がないことです。そのため、電極の摩耗が起こりやすく、スパークプラグのギャップを頻繁に調整できないガソリンエンジンなどでよく使用されます。
フェイススパークプラグ：フェイスギャップタイプとも呼ばれ、最も冷間タイプのスパークプラグで、中心電極とハウジングの端面との間のギャップが同心円状になっています。
標準型および突出型スパークプラグ
標準スパークプラグは、絶縁スカート端がハウジングのねじ端面よりわずかに低い位置にある片面電極スパークプラグです。これは、サイドマウントバルブエンジンで最も広く使用されている伝統的な点火端構造を採用しています。後から登場した「突出型」と区別するために、この構造は「標準型」と呼ばれています。
突出型スパークプラグは、もともとオーバーヘッドバルブエンジン用に設計されたものです。絶縁体スカートがシェルのねじ端面から突き出て燃焼室内に伸びています。燃焼混合気からかなりの量の熱を吸収し、燃焼速度での作動温度が比較的高く、汚染を防ぎます。高速回転時には、バルブが上部に配置されているため、吸入空気の流れが絶縁体のスカートに向かって流れ、冷却されます。その結果、最高温度の上昇は少なく、熱範囲が比較的広くなります。突出型スパークプラグは、吸気通路の曲がりが多く、空気の流れによる絶縁体スカートの冷却効果が小さいため、サイドマウントバルブエンジンには適していません。
単極および多極スパークプラグ
従来の単極スパークプラグには、側極が中心電極を覆っているという明確な欠点があります。2つの電極間で高電圧放電が発生すると、スパークギャップ内の混合ガスがスパークの熱を吸収し、イオン化によって活性化されて「スパークコア」を形成します。スパークコアが形成される場所は、一般的に側極の近くです。この間、側極はより多くの熱を吸収するため、電極の「消火効果」と呼ばれる現象が発生します。これにより、スパークエネルギーが低下し、消火性能が低下します。
こうして1920年代には、3極スパークプラグが登場しました。単極電極と比較して、多極電極のスパークギャップは、複数の側極電極（丸穴に打ち抜かれたもの）の断面と中央電極の円筒面から構成されています。この側面に取り付けられたスパークギャップは、側極電極が中央電極を覆ってしまうという欠点を解消し、火花の「アクセス性」を高め、より大きな火花エネルギーを持ち、シリンダー内部への浸透が容易になるため、混合気の燃焼状態を改善し、排気ガス排出量を削減するのに役立ちます。多極電極が複数の火花チャネルを提供するため、耐用年数が長くなり、点火の信頼性が向上します。ここで指摘しておかなければならないのは、放電時には1つのチャネルしか火花を飛ばすことができず、複数の電極が同時に火花を飛ばすことは不可能だということです。高速撮影による放電過程がこの点を証明しています。
国産スパークプラグの型番において、接尾辞（発熱量の後に続く文字）であるD、J、Qは、それぞれ2極、3極、4極を表します。
ニッケル基合金と銅芯電極を使用したスパークプラグ
燃焼室内に延びる電極に求められる最も基本的な要件は、アブレーション（電気的腐食と化学的腐食の両方）に対する耐性と優れた熱伝導性です。材料科学とプロセス技術の発展に伴い、電極材料は鉄、ニッケル、ニッケル基合金、ニッケル銅複合材料から貴金属へと進化を遂げてきました。現在最も一般的に使用されている合金はニッケル基合金です。一般的に、純金属は合金よりも熱伝導性に優れていますが、純金属（ニッケルなど）は、燃焼ガスの化学的腐食反応や、それによって形成される固体堆積物に対して合金よりも敏感です。そのため、電極材料には、クロム、マンガン、シリコンなどの元素を添加したニッケル基材料が用いられています。クロムは電気的侵食に対する耐性を高め、マンガンとシリコンは化学的腐食、特に高毒性の硫黄酸化物に対する耐性を向上させます。
一般的なタイプと抵抗タイプのスパークプラグ
スパークプラグは、火花放電発生器として、広帯域連続電磁放射干渉源です。1960年代以降、世界各国は、スパークによる電磁放射の強い干渉を抑制し、無線通信を保護し、車載電子機器の誤動作を防ぐために、抵抗型スパークプラグの開発を加速させてきました。中国もまた、電磁両立性に関する一連の強制的な国家規格を発行し、スパークプラグ点火エンジンで駆動される車両機器の無線干渉特性に厳しい制限を課しています。その結果、抵抗型スパークプラグの需要が大幅に増加しました。抵抗型スパークプラグは、一般的なタイプと構造的に大きな違いはありません。唯一の違いは、絶縁体内部の導体シーラントが抵抗性シーラントに変更されている点です。
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