JP2004235041A

JP2004235041A - スパークプラグ

Info

Publication number: JP2004235041A
Application number: JP2003022798A
Authority: JP
Inventors: Wataru Matsutani; 渉松谷; Osamu Yoshimoto; 修吉本; Yoshihiro Matsubara; 佳弘松原
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】極めて苛酷な運転条件下で使用された場合であっても、接地電極に異常腐食を生じにくいスパークプラグを提供する。
【解決手段】接地電極３０は、Ｒｈ及びＰｔの一方であり、５０質量％以上の第１成分と、Ｒｈ及びＰｔの他方であり、５０質量％未満の第２成分とからなる貴金属合金によって構成されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスパークプラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパークプラグは、筒状の主体金具を備えており、この主体金具内には、主体金具の軸方向に延在し、主体金具の内側に筒状の絶縁体が固定されている。また、主体金具の軸方向には中心電極が延在し、中心電極の先端は絶縁体の先端から突出され、中心電極の後端は絶縁体内に固定されている。一方、主体金具には接地電極の一端が固定され、接地電極の他端部は中心電極との間に放電ギャップを形成している。
【０００３】
一般的なスパークプラグの接地電極は、優れた耐久性を発揮すべく、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６００等のＮｉ合金からなる電極母材と、この電極母材の放電ギャップ側を形成する位置に溶接されたＰｔ−Ｉｒ合金の耐火花消耗材からなるチップとを有している。また、接地電極全体をＰｔ−Ｉｒ合金で構成したスパークプラグも実用化されている。さらに、特許文献１開示のスパークプラグの接地電極は、芯部と、この芯部の周りを包囲する被覆部とから構成されている。芯部はＮｉ若しくはＣｕ又はそれらの合金からなり、被覆部はＰｔ−Ｉｒ合金からなる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−７４５４９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の各スパークプラグでは、極めて苛酷な運転条件下で使用された場合、接地電極に異常腐食が発生することが明らかとなった。異常腐食が生じた接地電極は、加速的に消耗されてしまう。発明者らの試験によれば、都市ガス等のガス燃料を燃焼させるガスエンジン等、高温でかつ酸素が多い雰囲気下で使用される場合にこの傾向が顕著である。
【０００６】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、極めて苛酷な運転条件下で使用された場合であっても、接地電極に異常腐食を生じにくいスパークプラグを提供することを解決すべき課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者らは上記課題解決のために鋭意研究を行い、従来のスパークプラグの接地電極に異常腐食が生じるのは、接地電極がＰｔ−Ｉｒ合金を有して構成されていたためであることを究明し、本発明を完成させるに至った。
【０００８】
すなわち、Ｉｒは温度と酸素分圧との間に図６に示す特性があることが知られている。この特性によれば、Ｉｒは、高温及び酸素リッチな雰囲気においては、ＩｒＯ_２という揮発性酸化物を生成するのである。このため、約１０００°Ｃ以上の高温状態でかつ豊富な酸素雰囲気中において、Ｐｔ−Ｉｒ合金を有して構成された接地電極をもつ従来のスパークプラグが使用されると、図７に示すように、Ｐｔ−Ｉｒ合金のＩｒがＩｒＯ_２として酸化揮発し、接地電極の外周に被膜が形成され、図８に示すように、接地電極が異常に腐食してしまうのである。
【０００９】
こうして腐食した接地電極は、表面の被膜が剥がれ易いことから、加速的に消耗される。
【００１０】
一方、Ｐｔは温度と酸素分圧との間に図９に示す特性があることが知られている。また、Ｒｈは温度と酸素分圧との間に図１０に示す特性があることが知られている。これらの特性によれば、高温及び酸素リッチな雰囲気において、ＰｔはＰｔＯ_２という揮発性酸化物を生成するのであるが、その温度は比較的高く、かつＲｈは揮発性酸化物を生成しないのである。
【００１１】
このため、本発明のスパークプラグは、筒状の主体金具と、該主体金具の軸方向に延在し、該主体金具の内側に固定された筒状の絶縁体と、該主体金具の軸方向に延在し、放電可能な先端を該絶縁体の先端から突出させて後端が該絶縁体内に固定された中心電極と、該主体金具に一端が固定され、該中心電極との間に放電ギャップを形成する接地電極とを備えたスパークプラグにおいて、
【００１２】
前記接地電極は、Ｒｈ及びＰｔの一方であり、５０質量％以上の第１成分と、Ｒｈ及びＰｔの他方であり、５０質量％未満の第２成分とを含む貴金属合金によって構成されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明では、最も含有量の多い第１成分及び、次いで含有量の多い第２成分を含む貴金属合金が、高温及び酸素リッチな雰囲気において、揮発性酸化物の生成を抑制することができる。このため、そのような貴金属合金によって構成される接地電極では、異常腐食を生じることがなく、消耗を抑制することができる。
【００１４】
したがって、本発明のスパークプラグでは、極めて苛酷な運転条件下で使用された場合であっても、接地電極に異常腐食を生じさせにくくすることができる。
【００１５】
貴金属合金が実質的にＲｈ及びＰｔからなる場合、Ｒｈ及びＰｔの一方である第１成分の質量％とＲｈ及びＰｔの他方である第２成分の質量％との合計は１００質量％となる。実質的にとは不可避の不純物を含み得ることを意味する。しかし、貴金属合金が実質的に他の成分を含む場合、第１成分の質量％と第２成分の質量％との合計は１００質量％未満となる。この場合、第１〜３成分を質量部で表わすこともできる。ここで、質量部とは、貴金属合金の全質量を分母とし、貴金属合金に含まれる第１、２等の各成分の質量を分子とした割合である。貴金属合金が実質的にＲｈ及びＰｔからなり、貴金属合金の全質量が１００に相当すれば、質量部は質量％と等しい。
【００１６】
なお、特開２００１−１１８６６０号公報に記載のスパークプラグでは、中心電極及び接地電極のチップがＲｈを第１成分とした貴金属合金から構成されている。しかし、このスパークプラグの貴金属合金はＰｔを含んでおらず、本発明の効果を十分に奏し得ない。また、貴金属合金がＲｈを第１成分として構成されるとすれば、Ｒｈが非常に高価であるため、スパークプラグの製造コストが高騰してしまうこととなる。本発明は、Ｒｈに比して安価なＰｔも用いることにより、上述した効果を発揮しつつ、スパークプラグの製造コストの低廉化も実現している。
【００１７】
本発明のスパークプラグにおいて、貴金属合金は実質的にＩｒを含まないことが好ましい。高温、かつ酸素リッチな雰囲気において、貴金属合金の酸化揮発を抑制することができるからである。特開２００１−１１８６６０号公報に記載のスパークプラグでは、貴金属合金が実質的にＩｒを含み得ることからしても、本発明の効果を奏することができない。
【００１８】
本発明のスパークプラグでは、貴金属合金が１質量％を超えるＲｈを含んでいたり、貴金属合金が５０質量％未満のＲｈを含んでいたりすれば、十分な効果を発揮することができる。
【００１９】
また、本発明のスパークプラグにおいて、貴金属合金は、第１成分及び第２成分より少ない第３成分として、Ｎｉを含むことが好ましい。また、貴金属合金は７質量％未満のＮｉを含むことが好ましい。Ｎｉを含むことにより貴金属合金の耐腐食性及び耐酸化性を向上させることができるからである。
【００２０】
さらに、本発明のスパークプラグにおいて、貴金属合金はＹ及びＺｒの少なくとも一方を含むことが好ましい。ＹやＺｒは金属結合する金属結晶の粒成長を抑制することができるため、接地電極の疲労折損を抑制することができる。ＹやＺｒが多く含まれると、接地電極内で介在物として別の作用を来たすおそれがある。このため、ＹやＺｒは２質量％未満の範囲で含まれていることが好ましい。
【００２１】
このような構成を有する本発明のスパークプラグは、ガスエンジンに搭載されて好適である。ガスエンジンでは、高温でかつ酸素が多い雰囲気下でスパークプラグの使用が予想されるからである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のスパークプラグを具体化した実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２３】
（試験例）
先ず、表１に示すように、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｚｒ、Ｎｉの各金属粉末を表１に示す各試料１〜１４の組合せで混合して溶融する。なお、各元素記号の前の数字は質量％である。こうして、表１に示す各試料１〜１４の貴金属合金を得る。
【００２４】
【表１】

【００２５】
こうして得られた各試料１〜１４の貴金属合金を厚さ１（ｍｍ）、幅２．２（ｍｍ）の大きさに整えて、略Ｌ字形状の接地電極として用意する。そして、各試料１〜１４の接地電極の断面をＳＥＭで撮影する。こうして、ＳＥＭで撮影された接地電極の断面写真を基準写真として、以下に示す机上耐酸化試験及びエンジン耐久試験を行う。
【００２６】
机上耐酸化試験では、先ず、各試料１〜１４の接地電極を各４個ずつ用意する。そして、各４個ずつその接地電極を大気雰囲気の電気炉において、１０００（°Ｃ）の温度で１分間加熱した後、空冷で１分間冷却する。その作業を２００時間繰り返した後、各試料１〜１４の接地電極の各断面をＳＥＭで撮影する。次に、電気炉の温度を１２００（°Ｃ）に変更して同様の机上耐酸化試験を行う。こうして、ＳＥＭで撮影されたその各断面の写真を各比較写真とする。
【００２７】
そして、基準写真と各比較写真とを比較することによって、机上耐酸化試験後において、接地電極の表面に形成された揮発性酸化物の被膜の厚さを測定する。こうして各比較写真における揮発性酸化物の被膜の厚さに関して、各試料１〜１４の接地電極毎に平均値を算出する。
【００２８】
ここで、平均値が１０（μｍ）以下の場合を◎とし、１０〜５０（μｍ）の範囲にある場合を○とし、５０〜１００（μｍ）の範囲にある場合を（△）とし、１００（μｍ）以上の場合を×とする。その結果を表１に示す。
【００２９】
また、試料１、６、８、９、１１、１２及び１４の貴金属合金を図１に示す略Ｌ字形状の接地電極３０としてスパークプラグ１０を製造する。その際、試料１、６、８、９、１１、１２及び１４の接地電極３０毎にスパークプラグ１０を４個ずつ製造する。
【００３０】
実施形態のスパークプラグ１０は、図２に示すように、筒状の主体金具１１を備えており、この主体金具１１内には、主体金具１１の軸方向に延在し、両端を主体金具１１の両端から突出させた筒状の絶縁体１２が固定されている。また、主体金具１１の軸方向には中心電極２０が延在し、中心電極２０の先端は絶縁体１２の先端から突出され、中心電極２０の後端は絶縁体１２の後端で端子１３に固定されている。一方、主体金具１１には接地電極３０の一端が固定され、接地電極３０の他端部は中心電極２０との間に放電ギャップを形成している。中心電極２０及び接地電極３０は放電ギャップを形成しながら対向して設けられている。
【００３１】
こうして製造されたスパークプラグ１０を図示しないエンジンに取り付けることによって、エンジン耐久試験を行う。ここで、エンジンとしてはメタンを主成分としたガスを燃焼することにより稼動可能なものを使用する。
【００３２】
エンジン耐久試験では、５００時間の連続運転を行う。そして、エンジンを止めた後、ＳＥＭで試料１、６、８、９、１１、１２及び１４の接地電極３０の各断面を撮影する。こうして、ＳＥＭで撮影されたその各断面の写真を各比較写真とする。
【００３３】
そして、机上耐酸化試験と同様に、基準写真と各比較写真とを比較することによって、エンジン耐久試験後において、接地電極の表面に形成された揮発性酸化物の被膜の厚さを測定する。こうして各比較写真における揮発性酸化物の被膜の厚さに関して、試料１、６、８、９、１１、１２及び１４の接地電極３０毎に平均値を算出する。
【００３４】
ここでも、揮発性酸化物の被膜の厚さを机上耐酸化試験と同様に評価する。その結果を表１に示す。
【００３５】
＜評価＞
各試料１〜１４の接地電極において、１０００（°Ｃ）と１２００（°Ｃ）とにおける机上耐酸化試験の評価が◎又は○であるものは、試料２〜１１、１３の接地電極であった。
【００３６】
机上耐酸化試験における特記事項として、試料１の接地電極の表面では、１０００（°Ｃ）及び１２００（°Ｃ）の机上耐酸化試験では、厚さ１００（μｍ）以上の酸化被膜が形成され、その被膜が揮発してゆくこと（酸化揮発）が確認できた。また、試料２の接地電極の表面においても、１２００（°Ｃ）の机上耐酸化試験で上述と同様に被膜が形成され、その被膜が若干剥がれることがあった。そして、試料２を接地電極として長時間使用すると、接地電極の粒成長が著しい。結果として接地電極の疲労折損の原因となってしまうおそれがある。さらに、試料１４の接地電極の表面では、１２００（°Ｃ）の机上耐酸化試験で形成された被膜が粗大化してしまった。このため、上述したエンジンで使用した場合における試料１４の接地電極の疲労折損を引き起こしてしまう危険性がある。
【００３７】
ここで、試料６の接地電極３０では、０．５質量％のＺｒが含まれており、そのＺｒが金属結合する金属結晶の粒成長を抑制している。このため、接地電極３０の粒界酸化に起因する疲労折損を抑制することができる。Ｙも同様である。
【００３８】
また、試料１、６、８、９、１１、１２及び１４の各接地電極３０において、エンジン耐久試験の評価が○であったものは、試料６、８、１１であった。なお、試料２〜５、７、１０、１３の貴金属合金によって接地電極３０を構成しても、同様であると考えられる。
【００３９】
エンジン耐久試験における特記事項として、試料１２の接地電極３０では、火花消耗性が大きかった。
【００４０】
こうして、試料３〜１１及び１３の接地電極３０を構成する貴金属合金は、Ｒｈ及びＰｔの一方である５０質量％以上の第１成分と、Ｒｈ及びＰｔの他方である５０質量％未満の第２成分とからなり、高温及び酸素リッチな雰囲気において、揮発性酸化物の生成を抑制している。こうして、試料３〜１１及び１３の貴金属合金を接地電極３０に利用すれば、異常腐食を生じることがなく、消耗を抑制することができる。
【００４１】
したがって、実施形態のスパークプラグ１０では、極めて苛酷な運転条件下で使用された場合であっても、接地電極３０に異常腐食を生じさせにくくすることができる。
【００４２】
また、試料３〜１１及び１３の貴金属合金では、実質的にＩｒが含まれていないため、高温、かつ酸素リッチな雰囲気において、貴金属合金の酸化揮発を抑制することができる。
【００４３】
さらに、試料３〜１１及び１３の貴金属合金では、１質量％を超えるＲｈが含まれていたり、５０質量％未満のＲｈが含まれていたりしており、上述した効果が発揮されている。
【００４４】
また、試料１０〜１２の貴金属合金では、耐腐食性及び耐酸化性を向上させるため、ＰｔやＲｈより少ない第３成分としてのＮｉが含まれている。その際、７質量％のＮｉを含む試料１２の貴金属合金では、１２００（°Ｃ）における机上耐酸化試験の評価が△であり、エンジン耐久試験の評価も△である。このため、第３成分としてのＮｉは７質量％未満で含まれていることが好ましいと考えられる。
【００４５】
さらに、試料６の貴金属合金では、金属粒子の粒成長を抑制することで金属結合を安定させるため、Ｚｒが含まれている。このような貴金属合金でも、机上耐酸化試験及びエンジン耐久試験の評価は良好である。
【００４６】
このような、試料３〜１１及び１３の貴金属合金を接地電極３０として用いたスパークプラグ１０は、図示しないガスエンジンに搭載することができる。ガスエンジンで使用されたスパークプラグ１０の接地電極３０は、図３に示すように、表面がほとんど酸化揮発しておらず、接地電極３０の外周にほとんど被膜が形成されていない。このため、図４に示すように、接地電極３０がほとんど腐食していない。
【００４７】
以上の評価から判るように、総合評価としては、試料６の接地電極３０が最も好適（◎）であり、試料３〜５、７〜１１及び１３の接地電極３０が試料６の接地電極３０に順じて好適（○）である。その結果を表１に示す。
【００４８】
このような試料３〜１１及び１３の貴金属合金で接地電極３０の全てを構成することもできるが、以下に示すような接地電極４０を構成することもできる。
【００４９】
すなわち、図５（ａ）に示すスパークプラグ１０では、接地電極４０が主体金具１１に固定された芯部４０ａと、芯部４０ａの周りを包囲する被覆部４０ｂとから構成されている。また、図５（ｂ）に示すスパークプラグ１０では、接地電極４０が主体金具１１から離反された芯部４０ａと、芯部４０ａを内部に埋設し、主体金具１１に固定された被覆部４０ｂとから構成されている。それぞれの芯部４０ａはＮｉ、Ｎｉ合金、Ｃｕ又はＣｕ合金等で構成されている。被覆部４０ｂでは、上述した試料２〜１１及び１３の貴金属合金で構成されている。このような接地電極４０を有するスパークプラグであれば、上述した効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係り、接地電極の拡大斜視図である。
【図２】実施形態に係り、スパークプラグの一部断面の側面図である。
【図３】実施形態に係り、接地電極の拡大表面写真図である。
【図４】実施形態に係り、接地電極の拡大側面写真図である。
【図５】実施形態に係り、図（ａ）は主体金具に芯部が固定された接地電極の拡大斜視図であり、図（ｂ）は主体金具から芯部が離反された接地電極の拡大斜視図である。
【図６】従来の技術に係り、温度と酸素分圧との間におけるＩｒの特性を示すグラフである。
【図７】従来の技術に係り、接地電極の拡大表面写真図である。
【図８】従来の技術に係り、接地電極の拡大側面写真図である。
【図９】従来の技術に係り、温度と酸素分圧との間におけるＰｔの特性を示すグラフである。
【図１０】従来の技術に係り、温度と酸素分圧との間におけるＲｈの特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１１…主体金具
１２…絶縁体
２０…中心電極
３０、４０…接地電極
１０…スパークプラグ

Claims

筒状の主体金具と、該主体金具の軸方向に延在し、該主体金具の内側に固定された筒状の絶縁体と、該主体金具の軸方向に延在し、放電可能な先端を該絶縁体の先端から突出させて後端が該絶縁体内に固定された中心電極と、該主体金具に一端が固定され、該中心電極との間に放電ギャップを形成する接地電極とを備えたスパークプラグにおいて、
前記接地電極は、Ｒｈ及びＰｔの一方であり、５０質量％以上の第１成分と、Ｒｈ及びＰｔの他方であり、５０質量％未満の第２成分とを含む貴金属合金によって構成されていることを特徴とするスパークプラグ。
前記貴金属合金は実質的にＩｒを含まないことを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
前記貴金属合金は１質量％を超えるＲｈを含むことを特徴とする請求項１又は２記載のスパークプラグ。
前記貴金属合金は５０質量％未満のＲｈを含むことを特徴とする請求項３記載のスパークプラグ。
前記貴金属合金は、前記第１成分及び前記第２成分より少ない第３成分として、Ｎｉを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のスパークプラグ。
前記貴金属合金は７質量％未満のＮｉを含むことを特徴とする請求項５記載のスパークプラグ。
前記貴金属合金はＹ及びＺｒの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載のスパークプラグ。
ガスエンジンに搭載されるものであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載のスパークプラグ。