JP2003506835A - 内燃機関のための点火プラグ - Google Patents
内燃機関のための点火プラグInfo
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
- H01T13/00—Sparking plugs
- H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
- H01T13/39—Selection of materials for electrodes
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- Spark Plugs (AREA)
Abstract
Description
する。ドイツ連邦共和国特許出願公開第19623989号明細書には、絶縁体
内の燃焼室側端部に設けられた中央のシリンダ形孔に中心電極が挿入されている
点火プラグが記載されている。絶縁体の、燃焼室とは反対側の端部に向かって、
中心電極の背後に金属製コンタクトピンが配置されており、このコンタクトピン
には、ニッケルまたはニッケル-銀合金から成る層が設けられている。このコン
タクトピンは、中心電極と電気的接点を形成している。
ピンの耐食性が効果的に、かつ簡単な手段によって改善されるという利点を有す
る。これにより、点火プラグの運転の確実性が改善される。さらに、中心電極の
位置および形状の安定性が保証され、所要点火電圧の上昇を阻止することができ
る。
な構成と改善が可能である。コンタクトピンの全表面を被覆することは、製造技
術上都合がよい。さらに、製造技術上有利には、熱的スパッタリングまたは気相
からの析出、特にアリティールングによって被覆が行われ、この手段により、本
発明の点火プラグを多数製造することができる。さらに、Al2O3保護層が形成
されるため、被覆されたコンタクトピンの取り付け前の前酸化が有利であること
が明らかである。Fe-Co-Ni合金からなるコンタクトピンの形成は有利であ
り、それは、このFe-Co-Ni合金が、絶縁体の平均熱膨張係数と適合するか
らである。さらに、製造されたコンタクトピンの有利な輸送を可能にするため、
コンタクトピンの形状を、燃焼室側端部においてより大きい直径を有するシリン
ダ形に、特に階段状または円錐形に段付けされるように形成することが有利であ
る。コンタクトピンを簡単なシリンダ形または円錐形に製造することも、製造段
階を減じることができるので、同様に有利である。
製造の際、コンタクトピンの燃焼室側端部へのより高い圧力負荷が達成されるか
らである。
略的な縦断面図である。
ン、ニッケル被覆されたコンタクトピン、および本発明のアリティールングによ
って処理されたコンタクトピンの、直径増加と時間との関係を表した線図である
。
筒形ケーシング5内に、セラミックス製の絶縁体10が配置されており、この絶
縁体10の燃焼室側端部は、外径が小さくなっており、いわゆる絶縁体基部12
を形成している。プラグケーシング5および絶縁体10の回転対称軸線は等しく
合致するように位置している。絶縁体10の、燃焼室とは反対側の端部において
シリンダ形開口に埋設された接続スタッド15の軸線も、同様に等しく合致する
ように位置している。絶縁体10のシリンダ形開口内には、接続スタッド15の
背後に、燃焼室に向かって1つまたは複数の粉末混合物パッケージ17と1つの
コンタクトピン20と1つの貴金属電極25とが、一列に配置されている。貴金
属電極25は通常、中心電極と呼ばれている。中心電極25およびコンタクトピ
ン20の回転対称軸線は、絶縁体底部12の軸線と等しく合致している。プラグ
ケーシング5には、アース電極30が設けられており、このアース電極30は、
中心電極25の方向に曲げられている。中心電極25とアース電極30との間の
空間は、火花ギャップ35と呼ばれる。
て、貴金属中心電極25と接続スタッド15との間に電気的接点が形成されてお
り、この場合、粉末混合物パッケージ17は薄い金属層が貫通しているガラス材
料パッケージであり、特定の電気的な抵抗を有していて、同時に、絶縁体の開口
内での、接続スタッド15とコンタクトピン20との固定も保証する。絶縁体1
0は、、周囲およびエンジン室の影響から内部を保護していて電気絶縁作用を有
するセラミックス材料から成る。
ケル-コバルト合金(Fe-Ni-Co合金)から成る。しかし、この合金の耐食
性は低い。コンタクトピン20によって、中心電極25と粉体混合物パッケージ
17との間の空間的な隔離が保証されなければならない。なぜならば、1つまた
は複数の粉体混合パッケージ17は温度安定性が低い(たった約600℃まで)
ので、絶縁体の先端で生じる高温にさらしてはならないからである。
示せず)に供給するのに用いられる。このために高電圧が、接続スタッド15と
、粉体混合物17と、コンタクトピン20とを介して中心電極25に導かれ、こ
の中心電極25によって、中心電極25とアース電極30との間にフラッシュオ
ーバーが起こる。火花が有するエネルギによって、燃焼室内の燃料空気混合物が
点火され、これにより、さまざまな反応を経て高反応性のガスが生じる。
腐食は、絶縁体10と中心電極25との間の小さいスリットに沿って入り込む高
反応性ガスによって起こる。中心電極25と絶縁体10との間のスリットが生じ
るのは、絶縁材料と電極材料とが異なる熱膨張係数を有するからであり、かつ著
しい温度変動にさらされるためである。本発明では、腐食を減少させるために、
1種または数種の金属アルミニドから成る層が、コンタクトピン20の表面に被
着されている。有利には、金属アルミニド層の厚さは100μmまでであるが、
より厚いものでも有利である。これにより、腐食による所要点火電圧の上昇を有
効に防ぐことができる。エネルギ必要量も小さくなり、点火の確実性が改善され
る。
クトピン20はシリンダ形状を有しており、コンタクトピン20の、燃焼室とは
反対側の端部の直径はより大きくなっており、小さい方の直径を有する領域から
円錐形に段付けされている。コンタクトピン20の燃焼室側端部は円錐形に先細
りしていて、かつ球面になるように潰された先端を有しており、これにより、燃
焼室側端部のカバー面37が形成されている。気相からのアルミニウムの析出に
よって、コンタクトピン20の表面には、1種または数種の金属アルミニド(Me
tall-Aluminide)からなる層が形成され、この層は、図2では太線で示されてい
る。金属アルミニドは、金属とアルミニウムから成る金属間化合物である。Fe
-Ni-Co合金から成るコンタクトピン20の有利な使用においては、これに相
応に、1種または数種のFe-Ni-Coアルミニドが形成される。有利には、層
の厚さは20〜70μmである。金属アルミニド層40は、少なくともコンタク
トピン20の、燃焼室側のカバー面37に形成されており、少なくともコンタク
トピン20の、燃焼室側のカバー面37から長さ1mm以上の位置まで形成され
る。
きくなる。コンタクトピン20への原子状アルミニウムの拡散によって形成され
た金属アルミニド層40の保護作用は、外表面に形成、結合、かつ固着されてい
る非常に薄いAl2O3層に基づく。この層は、非常にゆっくりと成長するため、
その下にあるアルミニドおよび基部の金属を腐食から保護する。局部的なAl2O
3層の損傷、例えば剥離が起こった場合には、アルミニドに含まれるアルミニウ
ムによって新たにAl2O3層が形成される。これにより、コンタクトピン20の
被覆表面の自己回復性のある不動態化が保証される。
中心電極25と共に再度示されている。コンタクトピン20の、燃焼室側のカバ
ー面37が金属アルミニド層40で被覆されているため、運転条件下では、つま
り1000℃までの温度においては、貴金属中心電極25と、コンタクトピン2
0の、中心電極25側のカバー面37とが接触する場合、1種または数種のもろ
い貴金属アルミニウム化合物が形成される。有利には、中心電極25は、白金も
しくは白金合金から成っているので、このコンタクトピンのカバー面37には、
1種または数種のもろい白金アルミニウム化合物が形成される。コンタクトピン
20のカバー面37でのもろい化合物の形成が有利であるのは、中心電極25と
コンタクトピン20との熱膨張係数の相違による、熱的サイクルで起こる長さ変
化が著しい場合に、中心電極25とコンタクトピン20との間の移行領域にスリ
ット形成が可能になるからである。このようなスリットは、図3では符号42で
示されている。中心電極25とコンタクトピン20との間の摩擦接続は、スリッ
ト42によって妨げられる。このように、中心電極25の、位置および形状の安
定性を保証することができ、これにより、所要点火電圧の上昇が阻止される。特
に、最終的に貴金属アルミニウム化合物を形成する金属アルミニド層の厚さが1
00μmより大きい場合、スリットの形成がはっきりしている。中心電極25と
コンタクトピン20との間の電気的接点形成は、点火プラグ内に生じる所定の電
圧で常に起こっている。
概略的な縦断面図が図2と同様に示されている。この場合、コンタクトピン20
の全表面が、金属アルミニド層40によって被覆されている。図2と同様に、太
線は金属アルミニド層40を表している。この場合も符号37は、燃焼室側のコ
ンタクトピン20のカバー面を示している。
ndkerzen)、直接火花放電型点火プラグ(Luftfunkenzuendkerzen)、および直
接・沿面火花放電型点火プラグ(Luft-Gleitfunkenzuendkerzen)において使用
することができる。この場合、本発明のコンタクトピン20は、図2および図4
に示されている形状とは別の形状を有していてもよい。例えば、図2および4の
両コンタクトピン20の直径はいずれも任意に選択することができる。両領域(
大きい直径を有する領域および小さい直径を有する領域)の長さ、および両領域
間の円錐形の移行部の長さは規定されていない。コンタクトピン20の、円錐形
に延びている燃焼室側の先端の長さも、任意に選択することができる。同様に、
燃焼室側のカバー面37の直径も、任意選択が可能である。したがって、コンタ
クトピンは、点火プラグの寸法設定および製造の所与性に最適に適合させること
ができる。
このコンタクトピン20は円錐形に先細りになっている先端を有しておらず、カ
バー面37の直径は、燃料室側のシリンダ形領域の直径より小さくなってはいな
い。つまり、燃料室側のカバー面37の直径は、シリンダ形の燃焼室側領域の直
径と等しい。また、図6に示されたような別の実施例も考えられる。ここでは、
燃料室側のシリンダ形領域と、燃焼室とは反対側のより大きい直径を有するシリ
ンダ形領域との移行部は、階段状に形成されている。図7に示された別の実施例
においては、コンタクトピン20の直径はどこも等しい。
も可能である。図6から図8の実施例の燃焼室側先端は、図2で説明され、かつ
図9に再度別個に縦断面図で示されたような形であってもよい。図9のように、
コンタクトピン20の燃焼室側先端が円錐形に先細りしていて、燃焼室側カバー
面37の直径が、カバー面37に至るまでの領域より小さくなっていてもよい。
ルミニドのために必要なアルミニウムの析出は、熱的スパッタリング、もしくは
気相からの物理的析出(物理蒸着法、PVD)または化学的析出(化学蒸着法、
CVD)によって行うことができる。有利には、アルミニウムの析出は、CVD
法によって、特にアリティールング(Alitierung)によって行われる。
ムを添加する方法である。この場合、加工物を例えば、高濃度のAl2O3と、ア
ルミニウムを含有するドナー合金と、ハロゲンを含有する活性化剤とから成る粉
体層に埋め込む。原子状アルミニウムの析出は、化学反応を経て、多段階に、0
.01から10MPaの圧力、900℃から1100℃の温度で10時間まで、
水素含有雰囲気中で行われる。粉体層には、多数のコンタクトピンを埋設するこ
とが可能であり、したがってアリティールングは、低コストで行うことができる
。しかし、アリティールングは粉体層を用いずに行うこともでき、この場合、輸
送可能であってガス状のアルミニウム化合物、つまりハロゲン化アルミニウムを
、コンタクトピン20の被覆が行われる場所に関係した別の場所に生ぜしめ、水
素ガス含有流によって被覆箇所に輸送する。輸送可能なアルミニウム化合物は、
アルミニウムを含有するドナー合金とハロゲンを含有する活性剤とから成る。こ
の場合、輸送可能なアルミニウム化合物を発生させる場所、およびコンタクトピ
ンを被覆する場所は、それぞれが異なる容器に配置されるように分離させること
も可能である。しかし、これらの場所は同じ容器内にあってもよい。
20の酸化段階を優先的に行うこともできる。この前酸化によって、コンタクト
ピン20の取り付け前に、前述の不動態化したAl2O3層が形成される。この酸
化は、500℃から1200℃の温度で、100時間まで、酸素含有雰囲気中で
行われる。
る。この線図では、コンタクトピンを温度900℃で空気にさらした場合の、コ
ンタクトピンの直径増加が示されている。検査されたコンタクトピンの直径増加
(単位はμm)と、コンタクトピンをさらした時間(単位は時間)との関係が示
されている。ここで、円形の記号は、被覆されていないFe-Ni-Coコンタク
トピンに対する測定値であり、四角の記号は、20から30μmの厚さのニッケ
ル層が設けられているFe-Ni-Coコンタクトピンに対する測定値であり、菱
形の記号は、アリティールングによって生ぜしめられた25から60μmの厚さ
のFe-Ni-Coアルミニド層が設けられたFe-Ni-Coコンタクトピンに対
する測定値である。被覆は、それぞれ、コンタクトピンの全表面になされている
。明確に分かるのは、被覆されていないコンタクトピン、およびニッケル被覆さ
れたコンタクトピンのかなりの直径増加であり、これに対してアリティールング
によって処理されたコンタクトピンの直径増加は小さい。さらに、アリティール
ングによって処理されたコンタクトピンにおいては、約300時間後のさらなる
直径増加は見られなかった。直径の増加は、それぞれコンタクトピンの腐食によ
って生じる。アリティールングによって処理されたコンタクトピンでは、Al2O
3層の形成によってほんの少ししか直径が増加しない。
心電極の位置および形状の安定性が観察された。
ケル被覆されたコンタクトピン、および本発明のアリティールングによって処理
されたコンタクトピンの、直径増加と時間との関係を表した線図である。
Claims (15)
- 【請求項1】 シリンダ形の開口を有する絶縁体(10)を備えた点火プラ
グであって、前記開口内に、貴金属電極(25)および金属製のコンタクトピン
(20)が配置されており、貴金属電極(25)が、規定通りに運転されている
場合には、内燃機関の燃焼室に突入しており、コンタクトピン(20)が、貴金
属電極の、燃焼室とは反対側の端部に隣接して配置され、かつ電気的接点を形成
している形式のものにおいて、 コンタクトピン(20)の表面に、1種または数種の金属アルミニド(40)
から成る層が設けられていることを特徴とする、内燃機関のための点火プラグ。 - 【請求項2】 熱的サイクルで、コンタクトピン(20)と貴金属電極(2
5)との間にスリットが形成される、請求項1記載の点火プラグ。 - 【請求項3】 コンタクトピン(20)が、金属アルミニド層(40)を全
表面に有する、請求項1または2記載の点火プラグ。 - 【請求項4】 コンタクトピン(20)がFe-Ni-Co合金から成り、金
属アルミニド層(40)が1種または数種のアルミニド(Fe、Ni、Coアル
ミニド)から成っている、請求項1から3までのいずれか1項記載の点火プラグ
。 - 【請求項5】 コンタクトピン(20)と貴金属電極(25)との間の移行
領域に、1種または数種の貴金属アルミニウム化合物が形成される、請求項1か
ら3までのいずれか1項記載の点火プラグ。 - 【請求項6】 コンタクトピン(20)と貴金属電極(25)との間の移行
領域に、1種または数種の白金アルミニウム化合物が形成される、請求項5記載
の点火プラグ。 - 【請求項7】 コンタクトピン(20)のアルミニウム被覆が、熱的スパッ
タリング、もしくは気相からの物理的または化学的析出によって行われる、請求
項1から6までのいずれか1項記載の点火プラグ。 - 【請求項8】 アルミニウム被覆が、コンタクトピン(20)の境界層にお
ける、熱的処理(アリティールング)によるアルミニウム添加である、請求項1
から7までのいずれか1項記載の点火プラグ。 - 【請求項9】 アリティールングが粉体層で行われる、請求項8記載の点火
プラグ。 - 【請求項10】 点火プラグへの取り付けの前に、被覆されたコンタクトピ
ン(20)に酸化段階が施される、請求項7から9記載の点火プラグ。 - 【請求項11】 コンタクトピン(20)がシリンダ形状を有している、請
求項1から10までのいずれか1項記載の点火プラグ。 - 【請求項12】 コンタクトピン(20)が、異なる直径を有していて円錐
形に互いに移行し合う2つの領域を有するシリンダ形状をしており、小さい方の
直径を有する領域が、コンタクトピン(20)の燃焼室側端部を形成している、
請求項1から10までのいずれか1項記載の点火プラグ。 - 【請求項13】 コンタクトピン(20)が、直径が異なる2つの領域を有
するシリンダ形状をしており、両領域は互いに階段状に段付けされており、小さ
い方の直径を有する領域が、コンタクトピン(20)の燃焼室側端部を形成して
いる、請求項1から10までのいずれか1項記載の点火プラグ。 - 【請求項14】 コンタクトピン(20)が円錐形に先細りしている先端を
有しており、燃焼室側端部が、球面形のカバー面(37)を形成しており、該カ
バー面(37)が、燃焼室側のシリンダ形領域より小さい直径を有している、請
求項11から13までのいずれか1項記載の点火プラグ。 - 【請求項15】 コンタクトピン(20)が円錐台形状を有する、請求項1
から10までのいずれか1項記載の点火プラグ。
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