JP2005063705A

JP2005063705A - Spark plug

Info

Publication number: JP2005063705A
Application number: JP2003208047A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Hiramatsu; 伸一平松; Masahiro Ishikawa; 雅啓石川; Yoshihiro Matsubara; 佳弘松原
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2003-08-20
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2005-03-10

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spark plug, of which the life is prolonged by preventing corrosion, consumption, and rising of a grounding electrode. SOLUTION: A cross section crossing a longitudinal direction of the grounding electrode 11, having a metallic core material 11D excellent in heat conductance at its inside, is formed almost into a rectangular shape, and the grounding electrode 11 is bent into a reversed L-shape in side view, and one end part 11A thereof is welded to a tip part 5D of a screw part 5B of a main metal fitting 5 by a welding method combining two or more welding methods. The grounding electrode 11 is bent in a manner that the inside surface 11E at the other end 11B become parallel with a tip plane 2B of a central electrode 2 with a prescribed gap. An angle of above bending is made so that an acute angle θ1, out of crossing angles of the tangent 11F at the inner peripheral face of the central electrode 2 side of the grounding electrode 11 having maximum curvature and a virtual plane 2C formed by extending the tip plane 2B of the central electrode 2, becomes 0 to 45 degrees. COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用のスパークプラグに関し、詳細には、接地電極が表面金属層よりも熱伝導性に優れた金属芯材を備えたスパークプラグに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、内燃機関には点火のためのスパークプラグが用いられているが、内燃機関の高出力化、高効率化、長時間の連続運転等により、スパークプラグの接地電極に対する熱負荷が増大し、接地電極が消耗し易くなってきている。この問題を解決するために、接地電極の温度低減を目的として、内部に当該接地電極の表面金属層よりも熱伝導性に優れた金属を埋設した複合接地電極を備えたスパークプラグが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載のスパークプラグでは、角棒状に形成された接地電極の芯材としてＮｉを主成分とした合金を用い、当該芯材をＣｕで被覆し、その外側の表面金属層をＮｉを主成分とした合金で被覆した３層構造としている。そして、この接地電極は、略Ｌ字型に折り曲げられて、その先端部が中心電極と対向するように形成されている。このスパークプラグでは、接地電極の内部にＣｕで被覆した接地電極を設けているので接地電極の温度が低減し耐消耗性に優れるという面で非常に効果がある。また、芯材をＮｉを主成分とした合金とすることで折り曲げられた接地電極が、熱負荷により中心電極から離間する方向に移動する現象（以下「起き上がり」という。）が発生するのを抑制し、火花放電間隙が広がってしまうのを抑制した。火花放電間隙が広がってしまうと、火花放電が起きなくなり、失火の原因となる。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３３３７６９８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１に記載のスパークプラグでは、接地電極の表面金属層をＮｉを主成分とした合金で被覆しているので、高負荷で長時間運転される内燃機関（ガスエンジン等）に当該スパークプラグが使用されると、熱負荷により電極が消耗して耐久性能が十分でない虞があった。また、接地電極を略Ｌ字状に折り曲げているので、高負荷で長時間運転される内燃機関に当該スパークプラグが使用されると、抑制されていた起き上がりが発生して中心電極と接地電極との間の火花放電間隙が広がってしまう虞があった。
【０００５】
そこで、特開平５−７４５４９号公報のように筒状の主体金具の先端部に一端部が接合され他端部が中心電極に対向するように当該主体金具の先端部から斜めに延設された接地電極を備えたスパークプラグも提案されている。このスパークプラグでは、接地電極の折損防止のために、芯材にＮｉ、Ｎｉ合金、Ｃｕ、又はＣｕ合金が用いられ、その芯材を覆う表面金属層に貴金属であるＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ又はこれらの合金が用いられている。このスパークプラグは、接地電極の耐熱性及び耐消耗性に優れている。また、接地電極が主体金具から斜めに延設されているので起き上がりが発生せず、火花放電間隙が広がってしまうのを抑制できる。
【０００６】
しかしながら、このスパークプラグでは、接地電極が主体金具の先端部から中心電極の先端部に向けて斜めに延設されているので、接地電極と対向する側の中心電極の先端部の角と接地電極との間で火花放電が行われ、当該中心電極の先端部の角が偏消耗してしまうという問題点があった。
【０００７】
また、接地電極の消耗の抑制、長寿命化を目的として接地電極のすべてを貴金属を主成分とした合金から構成することもできるが、この場合には熱負荷の非常に厳しいエンジン条件下で長時間使用されると、接地電極の加熱により接地電極に異常な腐食が生じるという問題点があった。特に、火花放電間隙が狭い構造のスパークプラグの場合には、この腐食によって接地電極と中心電極との間にブリッジが生じるという問題点があった。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、接地電極の耐熱性を向上させて接地電極の腐食、消耗を防止しつつ起き上がりや中心電極の先端部の偏消耗も抑制でき、スパークプラグの長寿命化を実現することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために請求項１に記載の発明のスパークプラグは、軸線方向に貫通した貫通孔に中心電極が挿設された絶縁碍子と、当該絶縁碍子を保持する主体金具と、当該主体金具の先端部に一端部が接合され他端部が前記中心電極に対向する接地電極とを備え、前記接地電極の他端部の内面と前記中心電極の先端部との間に火花放電間隙を形成したスパークプラグであって、前記接地電極の表面を覆う貴金属又はその合金からなる表面金属層と、前記接地電極の内部に設けられ前記表面金属層より熱伝導性に優れた金属芯材と、前記中心電極の前記先端部に、当該中心電極の軸線方向と直交する方向に形成された平面からなる火花放電面とを備え、当該火花放電面と前記内面とは平行に形成され、前記接地電極の前記中心電極側の内周面の曲率の最大部分での接線と、前記内面を水平に延設した仮想平面との交差角の内、小さい角が０〜４５度であることを特徴とする。
【００１０】
この構成の発明では、接地電極の表面を貴金属又はその合金からなる表面金属層で覆っているので接地電極の耐消耗性を高めることができる。また、接地電極の内部に表面金属層より熱伝導性に優れた金属芯材を埋設しているので、接地電極から主体金具への放熱が促進され、接地電極の加熱を防止でき、耐消耗性に効果がある。また、接地電極の腐食を防止することもできる。さらに、中心電極の軸線方向と直交する方向に形成された平面からなる火花放電面と接地電極の他端部の内面とは平行に形成され、接地電極の中心電極側の内周面の曲率の最大部分での接線と、前記内面を水平に延設した仮想平面との交差角の内、小さい角が０〜４５度であるので、接地電極の折り曲げ角度が従来よりも大きくなく、熱負荷の大きいエンジン条件下で長時間使用されても、接地電極の起き上がりが生じない。また、火花放電面と接地電極の内面とは平行になっているので、火花放電により、中心電極の先端部角が偏消耗することがない。従って、接地電極の耐熱性を向上し、接地電極の腐食、消耗を防止しつつ起き上がりや中心電極の先端部の偏消耗も抑制でき、スパークプラグの長寿命化を図ることができる。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明のスパークプラグは、請求項１に記載の発明の構成に加えて、前記貴金属は、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｗ，Ｒｕ，Ｒｅの少なくとも一つであることを特徴とする。
【００１２】
この構成の発明では、請求項１に記載の発明の作用・効果に加えて、接地電極の表面をＰｔ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｗ，Ｒｕ，Ｒｅ又はその合金からなる表面金属層で覆っているので、接地電極の消耗を防止できる。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明のスパークプラグは、請求項１又は２に記載の発明の構成に加えて、前記金属芯材は、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ａｕ，Ａｇ又はその合金の少なくとも一つから構成されていることを特徴とする。
【００１４】
この構成の発明では、請求項１又は２に記載の発明の作用・効果に加えて、接地電極の金属芯材は、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ａｕ，Ａｇ又はその合金の少なくとも一つから構成されているので、接地電極から主体金具への放熱が促進され、接地電極の加熱を防止でき、耐消耗性に効果がある。又、接地電極の腐食も防止できる。なお、金属芯材は、表面金属層よりも熱伝導率の優れたものを使用する。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明のスパークプラグは、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の構成に加えて、前記接地電極は、前記金属芯材内に設けられ前記金属芯材と異なる金属からなる内部金属材を有し、前記金属芯材は前記内部金属材及び前記表面金属層よりも熱伝導性に優れることを特徴とする。
【００１６】
この構成の発明では、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の作用・効果に加えて、接地電極の金属芯材の中に、当該金属芯材と異なる金属からなる内部金属材を有し、金属芯材は内部金属材及び表面金属層よりも熱伝導性に優れた金属を用いているので、金属芯材が表面金属層よりも熱伝導性に優れる金属のみから構成されたものに比べて、金属芯材の中に、熱膨張率が当該金属芯材よりも表面金属層を構成する金属に近いもの又は表面金属層を構成する金属と同じものが設けられているので、金属芯材と表面金属層の熱膨張率の違いによる接地電極の起き上がりを効果的に防止できる。
【００１７】
また、請求項５に記載の発明のスパークプラグは、請求項１乃至４の何れかに記載の発明の構成に加えて、前記主体金具への前記接地電極の接合面に前記金属芯材が存在しないことを特徴とする。
【００１８】
この構成の発明では、請求項１乃至４の何れかに記載の発明の作用・効果に加えて、主体金具への接地電極の接合面に金属芯材が存在しないので、接地電極を主体金具へ溶接するときに接合面での溶接温度の低下を招くことなく、接地電極の主体金具への接合強度を高めることができる。また、接地電極の主体金具への接合強度が高いので、製造工程で接地電極を屈曲させたときに、接地電極と主体金具との接合箇所に亀裂による隙間が生じることを防止できる。
【００１９】
また、請求項６に記載の発明のスパークプラグは、請求項１乃至５の何れかに記載の発明の構成に加えて、前記接合面と、前記金属芯材を前記接合面に延設した仮想平面に投影した正射影像とは重ならないことを特徴とする。
【００２０】
この構成の発明では、請求項１乃至５の何れかに記載の発明の作用・効果に加えて、接合面と、金属芯材を接合面に延設した仮想平面に投影した正射影像とは重ならない、即ち、接地電極と主体金具の接合面近傍に金属芯材が無いので、接地電極と主体金具との溶接時に接合面の溶接温度が低下することなく、接合面の強度の低下を防止できる。
【００２１】
また、請求項７に記載の発明のスパークプラグは、請求項１乃至６の何れかに記載の発明の構成に加えて、前記金属芯材を前記火花放電面を水平に延設した仮想平面に投影した正射影像が前記火花放電面に少なくとも一部重なっていることを特徴とする。
【００２２】
この構成の発明では、請求項１乃至６の何れかに記載の発明の作用・効果に加えて、金属芯材を火花放電面を水平に延設した仮想平面に投影した正射影像が火花放電面に少なくとも一部重なっている、即ち、熱伝導性に優れた金属芯材を接地電極の火花放電部まで封入しているので、接地電極の先端部の温度低減を図ることができる。
【００２３】
また、請求項８に記載の発明のスパークプラグは、請求項１乃至７の何れかに記載の発明の構成に加えて、前記接地電極と前記主体金具とは、抵抗溶接、レーザー溶接、アーク溶接のうち少なくとも２つ以上の溶接方法により接合されていることを特徴とする。
【００２４】
この構成の発明では、請求項１乃至７の何れかに記載の発明の作用・効果に加えて、接地電極と記主体金具とは、抵抗溶接、レーザー溶接、アーク溶接のうち少なくとも２つ以上の溶接方法により接合されているので、接合強度が低い貴金属を使用した場合でも、接地電極と記主体金具との接合強度を高めることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の形態の内燃機関用のスパークプラグ１００について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態のスパークプラグ１００の部分断面図である。図１に示すように、スパークプラグ１００は、概略、絶縁体を構成する絶縁碍子１と、絶縁碍子１の長手方向略中央部に設けられ当該絶縁碍子１を保持する主体金具５と、絶縁碍子１内に軸線方向に保持された中心電極２と、主体金具５の先端部５Ｄに一端部を溶接され、他端部を中心電極２の先端面２Ｂに対向する接地電極１１と、中心電極２の上端部に設けられた端子金具４とから構成されている。
【００２６】
次に、このスパークプラグ１００の絶縁体を構成する絶縁碍子１について説明する。絶縁碍子１は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成されており、その後端部（図１に於ける上部）には、沿面距離を稼ぐためのコルゲーション１Ａが形成されている。また、絶縁碍子１の先端部（図１に於ける下部）には、内燃機関の燃焼室に曝される脚長部１Ｂが設けられている。さらに、絶縁碍子１の軸中心には中心貫通孔１Ｃが形成され、この中心貫通孔１Ｃには、インコネル（商標名）６００又は６０１等のニッケル系合金等からなる電極母材２Ａを少なくとも表層部に有する中心電極２が保持されている。この中心電極２の先端面２Ｂは、絶縁碍子１の先端面から突出しており、この先端面２Ｂは、中心電極２の軸線方向と直交する平面に形成されている。また、中心電極２は中心貫通孔１Ｃの内部に設けられたシール体１２、セラミック抵抗３を経由して上方の端子金具４に電気的に接続され、端子金具４には高圧ケーブル（図示外）がプラグキャップ（図示外）を介して接続され高電圧が印加されるようになっている。
【００２７】
次に、主体金具５について説明する。図１に示すように、主体金具５は、絶縁碍子１を保持し、図示外の内燃機関にスパークプラグ１００を固定するためのものである。絶縁碍子１は主体金具５に囲まれて支持されている。主体金具５は低炭素鋼材で形成され、図示外のスパークプラグレンチが嵌合する工具係合部である六角部５Ａと、図示外の内燃機関の気筒の上部に螺合するねじ部５Ｂとを備えている。このねじ部５Ｂの規格の一例としては、Ｍ１４等が用いられる。主体金具５は、かしめ部５Ｃをかしめることにより、段部５３に絶縁硝子１が板パッキン８を介して支持されて主体金具５と絶縁碍子１とが一体にされる。かしめによる密閉を完全なものとするため、主体金具５と絶縁碍子１との間に環状のリング部材６，７が介在され、リング部材６，７の間にはタルク（滑石）９の粉末が充填されている。また、主体金具５の中央部には、鍔部５１が形成され、ねじ部５Ｂの後端（図１に於ける上部）、即ち、鍔部５１の座面５２にはガスケット１０が嵌挿されている。尚、六角部５Ａの対辺寸法は、一例として１６ｍｍであり、主体金具５の座面５２から先端部５Ｄまでの長さは、一例として１９ｍｍである。
【００２８】
また、ねじ部５Ｂの先端部５Ｄには、自身の長手方向と直交する横断面が略長方形であり、屈曲された角棒状の外形を呈する接地電極１１が溶接により接合されている。尚、接地電極１１の構造の詳細は後述する。この接地電極１１は中心電極２の先端面２Ｂと軸方向に対向し、中心電極２と接地電極１１との対向面の隙間が火花放電間隙を形成している。
【００２９】
次に、図２乃至図４を参照して、接地電極１１の構造を説明する。図２は、第１の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１の近傍の部分断面図であり、図３は、第２の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１の部分断面図であり、図４は、第１の実施の形態の接地電極１１の斜視図である。図２及び図４に示すように、接地電極１１は、その長手方向に直交する側面が略長方形に形成され、側面視略「逆への字」形状に折り曲げられて形成されている。また、この接地電極１１は、その一端部１１Ａをねじ部５Ｂの先端部５Ｄに溶接されている。この溶接には、抵抗溶接、レーザー溶接、アーク溶接のうち少なくとも２つ以上の溶接方法を組み合わせた溶接が行われる。例えば、抵抗溶接を行った後に、レーザー溶接の一例であるヤグレーザーによる溶接を行う。また、抵抗溶接を行った後に、アーク溶接を行っても良い。さらに、レーザー溶接を行った後にアーク溶接を行っても良い。また、抵抗溶接を行った後に、レーザー溶接の一例であるヤグレーザーによる溶接を行い、さらに、アーク溶接を行っても良い。
【００３０】
上記の方法で溶接された接地電極１１は、図２に示すように、他端部１１Ｂの内面１１Ｅを中心電極２の先端面２Ｂと平行に所定間隙を開けて折り曲げられている。この折り曲げ角は、接地電極１１の中心電極２側の内周面の曲率の最大部分での接線１１Ｆと、中心電極２の先端面２Ｂの平面を水平に延設した仮想平面２Ｃとの交差角の内、小さい角θ１が０〜４５度に成るようにしている。尚、小さい角θ１が０度となる場合は、図３に示す第２の実施の形態のように、真っ直ぐな角棒状の接地電極１１の一端部１１Ａが主体金具５のねじ部５Ｂの先端部５Ｄから凸設されている電極保持部５Ｇのスパークプラグ１００の長手方向の端面（図３に於ける下面）に溶接され、当該接地電極１１がスパークプラグ１００の長手方向と直交する方向に延設されている場合である。即ち、中心電極２の先端面２Ｂと接地電極１１全体とが平行になっている。尚、この小さい角θ１を０〜４５度に形成している理由については後述する。
【００３１】
次に、接地電極１１の構造の詳細について説明する。図２に示すように、接地電極１１の外周部は、貴金属又はその合金からなる表面金属層１１Ｃから構成されている。この表面金属層１１Ｃを構成する金属の一例としては、本実施の形態では、耐消耗性に優れたＰｔ−Ｉｒ合金を用いている。また、この表面金属層１１Ｃとしては、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｗ，Ｒｕ，Ｒｅ等の貴金属の少なくとも一つ又は、これらの合金の少なくとも一つを用いても良い。表面金属層１１Ｃにこれらの貴金属及びその合金を用いるのは、耐消耗性を高めるためである。
【００３２】
また、接地電極１１の内部には、その長手方向に沿って、接地電極１１の熱を主体金具５に放熱するための金属芯材１１Ｄが埋設され、この金属芯材１１Ｄは、接地電極１１と主体金具５のねじ部５Ｂの先端部５Ｄとの接合面５Ｅには露出しないように接地電極１１の内部に埋設されている。即ち、当該接合面５Ｅには、金属芯材１１Ｄが存在しないようになっている。また、接合面５Ｅと、金属芯材１１Ｄを接合面５Ｅに延設した仮想平面５Ｆに投影した正射影像とは重ならないようになっている。即ち、図２において、金属芯材１１Ｄが、接合面５Ｅの垂直方向の仮想領域に存在しないようになっている。さらに、金属芯材１１Ｄを中心電極２の先端面２Ｂを水平に延設した仮想平面２Ｃに投影した正射影像が中心電極２の先端面２Ｂに少なくとも一部重なっており、好ましくは、全部重なっている。
【００３３】
次に、金属芯材１１Ｄの材質について説明する。金属芯材１１Ｄの材質は、表面金属層１１Ｃよりも熱伝導性に優れるものが使用されている。具体的には、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ａｕ，Ａｇ又はその合金の少なくとも一つの内、表面金属層１１Ｃに用いられるの金属よりも熱伝導性に優れるものを選択して用いる。以下、表面金属層１１Ｃに用いられる貴金属のＰｔ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｗ，Ｒｕ，Ｒｅと、金属芯材１１Ｄに用いられるＣｕ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ａｕ，Ａｇの熱伝導率について表１を参照して説明する。
【００３４】
【表１】

表１に示すように、Ｐｔの熱伝導率は、７１．４（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、Ｉｒの熱伝導率は、１４６（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、Ｒｈの熱伝導率は、１５０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、Ｗの熱伝導率は、１７８（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、Ｒｕの熱伝導率は、１１７（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、Ｒｅの熱伝導率は、４７．９（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、Ｃｕの熱伝導率は、３９８（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、Ｎｉの熱伝導率は、９０．５（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、Ｆｅの熱伝導率は、８０．３（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、Ａｕの熱伝導率は、３１５（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、Ａｇの熱伝導率は、４２７（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。
【００３５】
例えば、表面金属層１１ＣにＰｔ合金を使用した場合には、Ｐｔより熱伝導率の高い（熱伝導性に優れる）Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｆｅを金属芯材１１Ｄとして使用する。又、表面金属層にＩｒ合金を使用した場合には、Ｉｒよりも熱伝導率の高いＣｕ，Ａｕ，Ａｇを金属芯材として使用する。このＣｕ製の金属芯材１１Ｄにより、接地電極１１の熱を主体金具５に伝導する所謂「熱引き」が向上し、接地電極１１の加熱が防止できる。又、接地電極の異常な腐食を抑制することもできる。
【００３６】
［実施例１］次に、図２、図４及び図５を参照して、接地電極１１の中心電極２側の内周面の曲率の最大部分での接線１１Ｆと、中心電極２の先端面２Ｂの平面２Ｂを水平に延設した仮想平面２Ｃとの交差角の内、小さい角θ１が０〜４５度に成るようにしている理由について説明する。図５は、実施例１の接地電極１１の余角θ１の角度と起き上がり量を示すグラフである。
【００３７】
発明者は、接地電極１１の折曲角度である余角θ１をどの範囲に定めたら接地電極１１を高温に晒した場合にも接地電極１１の起き上がり量が少なくなるかを調べる試験を行った。この試験では、実施例１として、図２に示す第１の実施の形態及び図３に示す第２の実施の形態の構成を有するスパークプラグ１００の接地電極１１を、図４に示すように、幅２．２ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ、長さ９ｍｍとして、金属芯材１１ＤをＣｕとし、表面金属層１１ＣをＰｔ−Ｉｒ合金から構成した。この構成の接地電極１１の余角θ１を０度、１５度、３０度、４５度、６０度と変化させて、起き上がり量を各角度で各々２回測定する試験を行った。
余角θ１が０度の場合は第２の実施の形態の構成を有するスパークプラグ１００を用い、他は、第１の実施の形態の構成を有するスパークプラグ１００を用いた。試験の条件は、実施例１のプラグを２．０Ｌの６気筒エンジンに装着して、５０００ｒｐｍの全開（スロットル１００％）を１分とアイドリング１分とを交互に繰り返し、合計で１００時間エンジンを運転した。このときに接地電極１１の外側の温度は９５０℃であった。そして、試験前の接地電極１１の先端部の位置に対して、試験後の接地電極１１の先端部の位置を比較し、接地電極１１の他端部１１Ｂが中心電極２の先端面２Ｂから離間する方向へ移動する量である「起き上がり量」を測定した。
【００３８】
尚、図５に示すグラフでは、余角θ１の各角度での起き上がり量の測定値の平均によりグラフを描いた。図５に示すように、接地電極１１の余角θ１が０度の場合には、起き上がり量の平均が、０ｍｍであり、接地電極１１の余角θ１が１５度の場合には、起き上がり量の平均が、０．００５ｍｍであり、接地電極１１の余角θ１が３０度の場合には、起き上がり量の平均が、０．０１０ｍｍであり、接地電極１１の余角θ１が４５度の場合には、起き上がり量の平均が、０．０１５ｍｍであり、接地電極１１の余角θ１が６０度の場合には、起き上がり量の平均が、０．０９ｍｍである。この結果から、接地電極１１の余角θ１が０〜４５度の場合には、接地電極１１の起き上がり量は、０．０１５ｍｍ以下で問題とならないが、接地電極１１の余角θ１が６０度の場合には、接地電極１１の起き上がり量が、０．０９ｍｍにもなり、火花放電間隙が広がってしまい、火花放電が弱くなったり、火花放電が起きなくなったりして、失火の原因となる。従って、上記の試験の結果により、接地電極１１の余角θ１は、０〜４５度の範囲が良いことが判明した。
【００３９】
次に、図６を参照して、上記の実施例１のスパークプラグ１００を用いて、行った耐久試験の結果を説明する。図６は、実施例１のスパークプラグ１００、比較例１のスパークプラグ（図示外）及び比較例２のスパークプラグ（図示外）を用いて行った耐久試験の結果を示すグラフである。比較例１のスパークプラグは、Ｎｉ合金の接地電極の先端部に貴金属チップを溶接したものであり、他の構造は実施例１のスパークプラグ１００と同様である。また、比較例２のスパークプラグは、接地電極全てを貴金属とし、他の構造は実施例１のスパークプラグ１００と同様である。実施例１のスパークプラグ１００、比較例１のスパークプラグ及び比較例２のスパークプラグを発電機用２４Ｌの６気筒エンジンに装着して耐久試験を行った。
【００４０】
図６に示すように、耐久試験の結果、比較例１のスパークプラグは約２５０時間で接地電極の貴金属チップが剥離した。また、比較例２のスパークプラグは、約３００時間で接地電極が腐食した。これに対して、実施例１のスパークプラグ１００では、１０００時間でも接地電極に問題が生じなかった。
【００４１】
以上説明したように、本実施の形態のスパークプラグ１００では、接地電極１１の表面金属層１１Ｃを貴金属又は貴金属の合金とし、接地電極１１の内部に表面金属層１１Ｃよりも熱伝導性の高い金属芯材１１Ｄを埋設しているので、接地電極１１から主体金具５への放熱性を高めて、接地電極１１が加熱により腐食するのを防止できる。また、接地電極１１の中心電極２側の内周面の曲率の最大部分での接線１１Ｆと、中心電極２の先端面２Ｂの平面を水平に延設した仮想平面２Ｃとの交差角の内、小さい角θ１を０〜４５度としているので、熱膨張率の異なる複数の金属から構成された接地電極１１が高温に長時間晒された場合に接地電極１１が中心電極２の先端面２Ｂから離間する方向へ移動する起き上がりが生じにくくなる。
【００４２】
尚、本発明は、上記の第１の実施の形態に限られず、各種の変形が可能である。以下、図７及び図８を参照して、第３及び第４の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１について説明する。図７は、第３の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１の部分断面図であり、図８は、第４の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１の部分断面図である。尚、第３及び第４の実施の形態のスパークプラグ１００の主要構造は、第１の実施の形態のスパークプラグ１００と同じであり、異なる点は、接地電極１１の構造と接地電極１１と主体金具５の先端部５Ｄとの取付け構造である。従って、以下の第１の実施の形態のスパークプラグ１００と同じ点の説明は省略し、異なる点を説明する。
【００４３】
まず、図７を参照して、第３の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１の構造を説明する。図７に示すように、第３の実施の形態の接地電極１１は、真っ直ぐな角棒状に形成され、その一端部１１Ａを主体金具５の先端部５Ｄからスパークプラグ１００の軸線方向と平行に凸設された電極保持部５Ｇの中心電極２側の側面に溶接されている。従って、接地電極１１は、主体金具５の先端部５Ｄから凸設された電極保持部５Ｇの中心電極２に対向する側面からスパークプラグ１００の長手方向と直交する方向に延設され、接地電極１１の他端部１１Ｂの内面１１Ｅが中心電極２の先端面２Ｂと所定の間隙を開けて対向する状態となっている。
【００４４】
この接地電極１１の表面も、第１の実施の形態と同様に、貴金属又はその合金からなる表面金属層１１Ｃから構成され、この接地電極１１の内部には、表面金属層１１Ｃよりも熱伝導性に優れる金属又はその合金から成る金属芯材１１Ｄが埋設されている。そして、金属芯材１１Ｄは、接地電極１１と主体金具５のねじ部５Ｂの先端部５Ｄとの接合面５Ｅには露出してない、即ち、当該接合面５Ｅには、金属芯材１１Ｄが存在しないようになっている。また、この第３の実施の形態では、接地電極１１の余角θ１は、０度となっている。
【００４５】
次に、図８を参照して、第４の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１の構造を説明する。図８に示すように、第４の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１の外観形状は、第１の実施の形態の接地電極１１と同様であり、主体金具５の先端部５Ｄへの取り付け構造も同様である。第４の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１が第１の実施の形態と異なるのは、接地電極１１の内部の構造である。具体的には、第４の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１は、内部から内部金属層１１Ｇ、金属芯材１１Ｄ、表面金属層１１Ｃの三層構造となっている。まず、接地電極１１の外周部は、第１の実施の形態と同様に、貴金属又はその合金からなる表面金属層１１Ｃから構成されている。この表面金属層１１Ｃを構成する金属の一例としては、Ｐｔ−Ｉｒ合金を用いる。また、この表面金属層１１Ｃとしては、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｗ，Ｒｕ，Ｒｅ等の貴金属の少なくとも一つ又は、これらの合金の少なくとも一つを用いても良い。
【００４６】
次に、この第４の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１の金属芯材１１Ｄについて説明する。接地電極１１の内部には、第１の実施の形態の接地電極１１と同様に、金属芯材１１Ｄが接地電極１１の長手方向に沿って埋設されている。この金属芯材１１Ｄも第１の実施の形態と同様に、接地電極１１と主体金具５のねじ部５Ｂの先端部５Ｄとの接合面５Ｅには露出してない、即ち、当該接合面５Ｅには、金属芯材１１Ｄが存在しないようになっている。また、接合面５Ｅと、金属芯材１１Ｄを接合面５Ｅに延設した仮想平面５Ｆに投影した正射影像とは重ならないようになっている。即ち、図８において、金属芯材１１Ｄが、接合面５Ｅの垂直方向の仮想領域に存在しないようになっている。さらに、金属芯材１１Ｄを中心電極２の先端面２Ｂを水平に延設した仮想平面２Ｃに投影した正射影像が中心電極２の先端面２Ｂに少なくとも一部重なり、好ましくは、全部重なっている。
【００４７】
第４の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１の金属芯材１１Ｄの材質は、第１の実施の形態と同様に、表面金属層１１Ｃよりも熱伝導性に優れるものを使用する。具体的には、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ａｕ，Ａｇ又はその合金の少なくとも一つの内、用いられる表面金属層１１Ｃの金属よりも熱伝導性に優れるものを選択して用いる。
【００４８】
次に、内部金属層１１Ｇについて説明する。この内部金属層１１Ｇは、図８に示すように、金属芯材１１Ｄの内部に設けられ、この内部金属層１１Ｇは、金属芯材１１Ｄとは異なる金属から構成されている。そして、金属芯材１１Ｄの方が、内部金属層１１Ｇよりも熱伝導性に優れている。内部金属層１１Ｇに用いる金属の一例としては、貴金属のＰｔ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｗ，Ｒｕ，Ｒｅ又はこれらの合金を用いることができる。
【００４９】
この第４の実施の形態のように、接地電極１１を、内部から内部金属層、金属芯材、表面金属層の三層構造とし、前記金属芯材は内部金属層及び表面金属層よりも熱伝導性に優れる金属を用いることにより、接地電極１１から主体金具５への放熱効果を高める共に、熱伝導性の高い（良い）金属芯材と熱伝導性の低い（悪い）表面金属層との組み合わせによる熱膨張率の違いによる接地電極１１の起き上がりを、金属芯材よりも熱伝導性の低い、即ち、熱膨張率が表面金属層と同じ又は近い内部金属層により食い止めることができる。
【００５０】
次に、金属芯材１１Ｄの長さを短くした場合の例を図９及び図１０を参照して説明する。図９は、第５の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１の部分断面図であり、図１０は、第６の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１の部分断面図である。尚、第５の実施の形態のスパークプラグ１００の主要構造は、第１の実施の形態とスパークプラグ１００と同じであり、異なる点は、接地電極１１の金属芯材１１Ｄの長さである。また、第６の実施の形態のスパークプラグ１００の主要構造は、第２の実施の形態とスパークプラグ１００と同じであり、異なる点は、接地電極１１の金属芯材１１Ｄの長さである。従って、以下の異なる点を説明する。
【００５１】
図９及び図１０に示すように、第５及び第６の実施の形態の接地電極１１の金属芯材１１Ｄは、必ずしも接地電極１１の他端部１１Ｂ側の内部まで延設されている必要はなく、金属芯材１１Ｄを中心電極２の先端面２Ｂを水平に延設した仮想平面２Ｃに投影した正射影像が中心電極２の先端面２Ｂに少なくとも一部重なっている状態で有ればよい。この構成の接地電極１１でも熱を主体金具５に逃がして、接地電極１１の加熱を防止できる。又、接地電極１１の接合面５Ｅと、金属芯材１１Ｄを接合面５Ｅに延設した仮想平面５Ｆに投影した正射影像とが必ずしも重ならなければならない必要はなく図９、図１０のように一部が重なっているものでも良い。このようなものであっても接地電極の熱を主体金具に逃がして、接地電極１１の加熱を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第１の実施の形態のスパークプラグ１００の部分断面図である。
【図２】図２は、第１の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１の近傍の部分断面図である。
【図３】図３は、第２の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１の近傍の部分断面図である。
【図４】図４は、実施例１の接地電極１１の斜視図である。
【図５】図５は、実施例１の接地電極１１の余角θ１の角度と起き上がり量を示すグラフである。
【図６】図６は、実施例１のスパークプラグ１００、比較例１及び比較例２を用いて行った耐久試験の結果を示すグラフである。
【図７】図７は、第３の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１の近傍の部分断面図である。
【図８】図８は、第４の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１の近傍の部分断面図である。
【図９】図９は、第５の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１の近傍の部分断面図である。
【図１０】図１０は、第６の実施の形態のスパークプラグ１００の接地電極１１の近傍の部分断面図である。
【符号の説明】
１絶縁碍子
２中心電極
２Ｂ先端面
４端子金具
５主体金具
５Ａ六角部
５Ｂねじ部
５Ｄ先端部
５Ｅ接合面
５Ｇ電極保持部
１１接地電極
１１Ａ一端部
１１Ｂ他端部
１１Ｃ表面金属層（第３層）
１１Ｄ金属芯材（第２層）
１１Ｅ内面
１１Ｇ内部金属層（第１層）
１００スパークプラグ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a spark plug for an internal combustion engine, and more particularly, to a spark plug having a ground electrode whose metal electrode has a thermal conductivity superior to that of a surface metal layer.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, spark plugs for ignition are used in internal combustion engines, but due to high output, high efficiency, long-time continuous operation, etc. of the internal combustion engine, the thermal load on the ground electrode of the spark plug increases, The ground electrode is easily worn out. In order to solve this problem, for the purpose of reducing the temperature of the ground electrode, a spark plug having a composite ground electrode in which a metal having a higher thermal conductivity than the surface metal layer of the ground electrode is embedded is proposed. (For example, refer to Patent Document 1). In the spark plug described in Patent Document 1, an alloy containing Ni as a main component is used as the core material of the ground electrode formed in a square bar shape, the core material is covered with Cu, and the outer surface metal layer is coated with Ni. It has a three-layer structure coated with an alloy containing as a main component. The ground electrode is bent into a substantially L shape and is formed so that the tip thereof faces the center electrode. In this spark plug, since the ground electrode coated with Cu is provided inside the ground electrode, the temperature of the ground electrode is reduced and the wear resistance is excellent. In addition, the phenomenon that the bent ground electrode moves in a direction away from the center electrode due to a thermal load (hereinafter referred to as “wake-up”) is suppressed by using an alloy whose main component is Ni as a core material. In addition, the spark discharge gap is prevented from spreading. If the spark discharge gap is widened, the spark discharge will not occur, causing a misfire.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3337698
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the spark plug described in Patent Document 1, the surface metal layer of the ground electrode is covered with an alloy mainly composed of Ni, so that the internal combustion engine (gas engine or the like) operated for a long time at a high load. When the spark plug is used, there is a possibility that the electrode is consumed due to a thermal load and the durability performance is not sufficient. In addition, since the ground electrode is bent in a substantially L shape, if the spark plug is used in an internal combustion engine that is operated for a long time under a high load, the suppressed rising occurs, and the center electrode and the ground electrode There was a possibility that the spark discharge gap between them would widen.
[0005]
Therefore, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-74549, one end is joined to the tip of the cylindrical metal shell, and the other end is extended obliquely from the tip of the metal shell so as to face the center electrode. Spark plugs with ground electrodes have also been proposed. In this spark plug, Ni, Ni alloy, Cu, or Cu alloy is used for the core material to prevent breakage of the ground electrode, and Pt, Pd, Ir, or these that are noble metals on the surface metal layer covering the core material These alloys are used. This spark plug is excellent in the heat resistance and wear resistance of the ground electrode. In addition, since the ground electrode is extended obliquely from the metal shell, the rising does not occur and the spark discharge gap can be prevented from expanding.
[0006]
However, in this spark plug, the ground electrode extends obliquely from the tip of the metal shell toward the tip of the center electrode, so the corner of the tip of the center electrode on the side facing the ground electrode and the ground electrode There is a problem in that spark discharge is performed between the two and the corner of the tip of the center electrode is consumed.
[0007]
In addition, in order to reduce the consumption of the ground electrode and extend its life, all the ground electrodes can be made of an alloy mainly composed of noble metals. When used for a long time, there is a problem that abnormal corrosion occurs in the ground electrode due to heating of the ground electrode. In particular, in the case of a spark plug having a narrow spark discharge gap, there is a problem that a bridge is formed between the ground electrode and the center electrode due to this corrosion.
[0008]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and can improve the heat resistance of the ground electrode to prevent the ground electrode from being corroded and consumed, and can suppress rising and uneven consumption at the tip of the center electrode. The purpose is to realize a long life of the spark plug.
[0009]
[Means for solving the problems and actions / effects]
In order to solve the above problems, the spark plug of the invention according to claim 1 includes an insulator in which a center electrode is inserted in a through hole penetrating in an axial direction, a metal shell that holds the insulator, A spark discharge gap is provided between the inner surface of the other end of the ground electrode and the tip of the center electrode, wherein one end is joined to the tip of the metal shell and the other end is opposed to the center electrode. And a surface metal layer made of a noble metal or an alloy thereof that covers the surface of the ground electrode, and a metal core material that is provided inside the ground electrode and has higher thermal conductivity than the surface metal layer. A spark discharge surface comprising a flat surface formed in a direction perpendicular to the axial direction of the center electrode at the tip of the center electrode, the spark discharge surface and the inner surface being formed in parallel, and the grounding On the center electrode side of the electrode The tangent of the maximum curvature portion of the peripheral surface, of the intersection angles between the virtual plane obtained by extending the inner surface horizontal, small corners, characterized in that a 0-45 degrees.
[0010]
In the invention of this configuration, since the surface of the ground electrode is covered with a surface metal layer made of a noble metal or an alloy thereof, the wear resistance of the ground electrode can be improved. In addition, since a metal core material with better thermal conductivity than the surface metal layer is embedded inside the ground electrode, heat dissipation from the ground electrode to the metal shell is promoted, heating of the ground electrode can be prevented, and wear resistance Is effective. Also, corrosion of the ground electrode can be prevented. Further, the spark discharge surface formed of a plane formed in a direction perpendicular to the axial direction of the center electrode and the inner surface of the other end of the ground electrode are formed in parallel, and the curvature of the inner peripheral surface of the ground electrode on the center electrode side is Of the intersecting angles between the tangent line at the maximum portion and the imaginary plane extending horizontally from the inner surface, the smaller angle is 0 to 45 degrees, so the bending angle of the ground electrode is not larger than the conventional one, and the heat load Even when used for a long time under large engine conditions, the ground electrode does not rise. In addition, since the spark discharge surface and the inner surface of the ground electrode are parallel to each other, the tip end angle of the center electrode is not partially consumed by the spark discharge. Accordingly, the heat resistance of the ground electrode can be improved, and the rise and the uneven consumption of the tip of the center electrode can be suppressed while preventing the corrosion and wear of the ground electrode, and the life of the spark plug can be extended.
[0011]
Further, in the spark plug of the invention described in claim 2, in addition to the structure of the invention described in claim 1, the noble metal is at least one of Pt, Ir, Rh, W, Ru, Re. Features.
[0012]
In the invention of this configuration, in addition to the function and effect of the invention of claim 1, the surface of the ground electrode is covered with a surface metal layer made of Pt, Ir, Rh, W, Ru, Re or an alloy thereof. It is possible to prevent the ground electrode from being consumed.
[0013]
Further, in the spark plug of the invention described in claim 3, in addition to the structure of the invention described in claim 1 or 2, the metal core material is at least one of Cu, Ni, Fe, Au, Ag or an alloy thereof. It is composed of two.
[0014]
In the invention of this configuration, in addition to the functions and effects of the invention of claim 1 or 2, the metal core material of the ground electrode is made of at least one of Cu, Ni, Fe, Au, Ag or an alloy thereof. Therefore, heat dissipation from the ground electrode to the metal shell is promoted, heating of the ground electrode can be prevented, and wear resistance is effective. Also, corrosion of the ground electrode can be prevented. In addition, the metal core material has a thermal conductivity superior to that of the surface metal layer.
[0015]
According to a spark plug of the invention described in claim 4, in addition to the configuration of the invention described in any of claims 1 to 3, the ground electrode is provided in the metal core material, and It has an internal metal material made of a different metal, and the metal core material is more excellent in thermal conductivity than the internal metal material and the surface metal layer.
[0016]
In the invention of this configuration, in addition to the operation and effect of the invention according to any one of claims 1 to 3, the metal core material of the ground electrode has an internal metal material made of a metal different from the metal core material. However, since the metal core material uses a metal having a higher thermal conductivity than the internal metal material and the surface metal layer, the metal core material is composed only of a metal having a higher thermal conductivity than the surface metal layer. In comparison, in the metal core material, a metal core having a coefficient of thermal expansion closer to that of the metal constituting the surface metal layer than the metal core material or the same metal as the metal constituting the surface metal layer is provided. It is possible to effectively prevent the ground electrode from rising due to the difference in thermal expansion coefficient between the material and the surface metal layer.
[0017]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the spark plug according to the fifth aspect of the invention, in addition to the configuration of the first aspect of the invention, wherein the metal core material is present on the joint surface of the ground electrode to the metal shell. It is characterized by not.
[0018]
In the invention of this configuration, in addition to the operation and effect of the invention according to any one of claims 1 to 4, since the metal core material does not exist on the joint surface of the ground electrode to the metal shell, the ground electrode is used as the metal shell. The joining strength of the ground electrode to the metal shell can be increased without causing a decrease in the welding temperature at the joining surface when welding. In addition, since the bonding strength of the ground electrode to the metal shell is high, it is possible to prevent a gap due to a crack from occurring at the joint between the ground electrode and the metal shell when the ground electrode is bent in the manufacturing process.
[0019]
In addition to the configuration of the invention according to any one of claims 1 to 5, the spark plug according to the invention described in claim 6 is a virtual one in which the joint surface and the metal core material are extended to the joint surface. It is characterized by not overlapping with an orthogonal projection image projected on a plane.
[0020]
In the invention of this configuration, in addition to the operation and effect of the invention according to any one of claims 1 to 5, the joining surface and an orthogonal projection image projected on a virtual plane extending from the joining surface to the metal core material are It does not overlap, that is, there is no metal core near the joint surface between the ground electrode and the metal shell, so that the welding temperature of the joint surface does not decrease during welding of the ground electrode and the metal shell, preventing the strength of the joint surface from being lowered. it can.
[0021]
According to a seventh aspect of the present invention, in the spark plug according to the seventh aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect of the present invention, the metal core member is formed on a virtual plane in which the spark discharge surface extends horizontally. The projected orthographic image is at least partially overlapped with the spark discharge surface.
[0022]
In the invention of this configuration, in addition to the operation and effect of the invention according to any one of claims 1 to 6, an orthographic image obtained by projecting the metal core material onto a virtual plane in which the spark discharge surface extends horizontally is a spark discharge. Since the metal core material that is at least partially overlapped with the surface, that is, excellent in thermal conductivity is sealed up to the spark discharge portion of the ground electrode, the temperature of the tip portion of the ground electrode can be reduced.
[0023]
In addition to the configuration of the invention according to any one of claims 1 to 7, the spark plug of the invention according to claim 8 includes resistance welding, laser welding, arc welding, and the ground electrode and the metal shell. Are joined by at least two welding methods.
[0024]
In the invention of this configuration, in addition to the operation and effect of the invention according to any one of claims 1 to 7, the ground electrode and the metal shell are at least two of resistance welding, laser welding, and arc welding. Since they are joined by the welding method, even when a noble metal having a low joining strength is used, the joining strength between the ground electrode and the metal shell can be increased.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a spark plug 100 for an internal combustion engine according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a spark plug 100 according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a spark plug 100 generally includes an insulator 1 that constitutes an insulator, a metal shell 5 that is provided at a substantially central portion in the longitudinal direction of the insulator 1 and holds the insulator 1, and an insulator A center electrode 2 held in the axial direction in 1, a ground electrode 11 whose one end is welded to the tip 5D of the metal shell 5 and whose other end is opposed to the tip 2B of the center electrode 2, and the center electrode 2 And the terminal metal fitting 4 provided at the upper end of the.
[0026]
Next, the insulator 1 constituting the insulator of the spark plug 100 will be described. As is well known, the insulator 1 is formed by firing alumina or the like, and a corrugation 1A for increasing the creeping distance is formed at the rear end portion (upper portion in FIG. 1). Further, a leg length portion 1B that is exposed to the combustion chamber of the internal combustion engine is provided at the tip portion (lower portion in FIG. 1) of the insulator 1. Furthermore, a central through hole 1C is formed at the axial center of the insulator 1, and at least a surface layer portion of an electrode base material 2A made of a nickel-based alloy such as Inconel (trade name) 600 or 601 is formed in the central through hole 1C. The center electrode 2 is held. The front end surface 2B of the center electrode 2 protrudes from the front end surface of the insulator 1, and the front end surface 2B is formed on a plane orthogonal to the axial direction of the center electrode 2. The center electrode 2 is electrically connected to an upper terminal fitting 4 via a seal body 12 and a ceramic resistor 3 provided in the center through hole 1C, and a high voltage cable (not shown) is connected to the terminal fitting 4. Are connected via a plug cap (not shown) so that a high voltage is applied.
[0027]
Next, the metal shell 5 will be described. As shown in FIG. 1, the metal shell 5 is for holding the insulator 1 and fixing the spark plug 100 to an internal combustion engine (not shown). The insulator 1 is supported by being surrounded by a metal shell 5. The metal shell 5 is formed of a low carbon steel material, and includes a hexagonal portion 5A that is a tool engaging portion into which a spark plug wrench (not shown) is fitted, and a screw portion 5B that is screwed into an upper portion of a cylinder of an internal combustion engine (not shown). I have. As an example of the standard of the screw portion 5B, M14 or the like is used. The metal shell 5 is caulked at the caulking portion 5C, whereby the insulating glass 1 is supported on the stepped portion 53 via the plate packing 8, and the metal shell 5 and the insulator 1 are integrated. In order to complete sealing by caulking, annular ring members 6 and 7 are interposed between the metal shell 5 and the insulator 1, and talc (talc) 9 powder is interposed between the ring members 6 and 7. Filled. A flange 51 is formed at the center of the metal shell 5, and the gasket 10 is inserted into the rear end (upper part in FIG. 1) of the screw 5 B, that is, the seat surface 52 of the flange 51. ing. The opposite side dimension of the hexagonal part 5A is 16 mm as an example, and the length from the seating surface 52 of the metal shell 5 to the tip part 5D is 19 mm as an example.
[0028]
Further, a ground electrode 11 having a bent rectangular bar-like outer shape is joined to the tip portion 5D of the screw portion 5B by welding by a cross section orthogonal to the longitudinal direction of the screw portion 5B. Details of the structure of the ground electrode 11 will be described later. The ground electrode 11 is opposed to the front end surface 2B of the center electrode 2 in the axial direction, and a gap between the opposed surfaces of the center electrode 2 and the ground electrode 11 forms a spark discharge gap.
[0029]
Next, the structure of the ground electrode 11 will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the vicinity of the ground electrode 11 of the spark plug 100 of the first embodiment, and FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the ground electrode 11 of the spark plug 100 of the second embodiment. FIG. 4 is a perspective view of the ground electrode 11 according to the first embodiment. As shown in FIG. 2 and FIG. 4, the ground electrode 11 has a side surface orthogonal to the longitudinal direction formed in a substantially rectangular shape and is bent into a substantially “reverse character” shape in a side view. The ground electrode 11 is welded at its one end 11A to the tip 5D of the threaded portion 5B. This welding is performed by combining at least two welding methods among resistance welding, laser welding, and arc welding. For example, after resistance welding is performed, welding with a yag laser, which is an example of laser welding, is performed. Further, arc welding may be performed after performing resistance welding. Further, arc welding may be performed after laser welding. Moreover, after performing resistance welding, welding by a yag laser which is an example of laser welding may be performed, and further arc welding may be performed.
[0030]
As shown in FIG. 2, the ground electrode 11 welded by the above method is bent at the inner surface 11 E of the other end portion 11 B in parallel with the distal end surface 2 B of the center electrode 2 with a predetermined gap. This bending angle is an intersection angle between a tangent line 11F at the maximum curvature of the inner peripheral surface of the ground electrode 11 on the side of the center electrode 2 and a virtual plane 2C obtained by horizontally extending the plane of the front end surface 2B of the center electrode 2. Among them, the small angle θ1 is set to 0 to 45 degrees. When the small angle θ1 is 0 degree, one end portion 11A of the straight square bar-shaped ground electrode 11 is the tip end portion of the threaded portion 5B of the metal shell 5 as in the second embodiment shown in FIG. The electrode holding portion 5G protruding from 5D is welded to the end surface (the lower surface in FIG. 3) of the spark plug 100 in the longitudinal direction, and the ground electrode 11 extends in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the spark plug 100. This is the case. That is, the front end surface 2B of the center electrode 2 and the entire ground electrode 11 are parallel. The reason why the small angle θ1 is formed at 0 to 45 degrees will be described later.
[0031]
Next, the details of the structure of the ground electrode 11 will be described. As shown in FIG. 2, the outer peripheral portion of the ground electrode 11 is composed of a surface metal layer 11C made of a noble metal or an alloy thereof. As an example of the metal constituting the surface metal layer 11C, in the present embodiment, a Pt—Ir alloy having excellent wear resistance is used. Further, as the surface metal layer 11C, at least one of noble metals such as Pt, Ir, Rh, W, Ru, Re, or at least one of these alloys may be used. The reason why these noble metals and their alloys are used for the surface metal layer 11C is to improve wear resistance.
[0032]
In addition, a metal core 11D for radiating the heat of the ground electrode 11 to the metal shell 5 is embedded in the ground electrode 11 along the longitudinal direction thereof. The metal shell 5 is embedded in the ground electrode 11 so as not to be exposed at the joint surface 5E with the tip portion 5D of the screw portion 5B. That is, the metal core material 11D does not exist on the joint surface 5E. Further, the joining surface 5E and the orthogonal projection image projected on the virtual plane 5F obtained by extending the metal core 11D to the joining surface 5E do not overlap. That is, in FIG. 2, the metal core 11D does not exist in the virtual region in the vertical direction of the joint surface 5E. Further, an orthogonal projection image obtained by projecting the metal core 11D onto a virtual plane 2C in which the front end surface 2B of the center electrode 2 extends horizontally overlaps at least a part of the front end surface 2B of the center electrode 2, and preferably all overlap. ing.
[0033]
Next, the material of the metal core material 11D will be described. As the material of the metal core material 11D, a material having better thermal conductivity than the surface metal layer 11C is used. Specifically, a material having a higher thermal conductivity than the metal used for the surface metal layer 11C is selected and used from at least one of Cu, Ni, Fe, Au, Ag or an alloy thereof. Hereinafter, refer to Table 1 for the thermal conductivity of noble metals Pt, Ir, Rh, W, Ru, Re used for the surface metal layer 11C and Cu, Ni, Fe, Au, Ag used for the metal core 11D. I will explain.
[0034]
[Table 1]

As shown in Table 1, the thermal conductivity of Pt is 71.4 (W / m · K), the thermal conductivity of Ir is 146 (W / m · K), and the thermal conductivity of Rh. Is 150 (W / m · K), the thermal conductivity of W is 178 (W / m · K), the thermal conductivity of Ru is 117 (W / m · K), and Re The thermal conductivity of Cu is 47.9 (W / m · K), the thermal conductivity of Cu is 398 (W / m · K), and the thermal conductivity of Ni is 90.5 (W / m · K). m · K), the thermal conductivity of Fe is 80.3 (W / m · K), the thermal conductivity of Au is 315 (W / m · K), and the thermal conductivity of Ag. Is 427 (W / m · K).
[0035]
For example, when a Pt alloy is used for the surface metal layer 11C, Cu, Ag, Au, Ni, and Fe having higher thermal conductivity than Pt (excellent thermal conductivity) are used as the metal core 11D. Further, when an Ir alloy is used for the surface metal layer, Cu, Au, and Ag having higher thermal conductivity than Ir are used as the metal core material. This Cu metal core 11D improves the so-called “heat pull” that conducts the heat of the ground electrode 11 to the metal shell 5 and prevents the ground electrode 11 from being heated. Also, abnormal corrosion of the ground electrode can be suppressed.
[0036]
[Embodiment 1] Next, referring to FIG. 2, FIG. 4 and FIG. 5, the tangent line 11F at the maximum curvature of the inner peripheral surface of the ground electrode 11 on the center electrode 2 side, and the tip surface of the center electrode 2 The reason why the small angle θ1 is set to 0 to 45 degrees among the crossing angles with the virtual plane 2C obtained by horizontally extending the 2B plane 2B will be described. FIG. 5 is a graph showing the angle of the additional angle θ1 and the rising amount of the ground electrode 11 of Example 1.
[0037]
The inventor conducted a test to determine a range in which the additional angle θ1 that is a bending angle of the ground electrode 11 is set and whether the rising amount of the ground electrode 11 is reduced even when the ground electrode 11 is exposed to a high temperature. In this test, as Example 1, the ground electrode 11 of the spark plug 100 having the configuration of the first embodiment shown in FIG. 2 and the second embodiment shown in FIG. The metal core 11D was made of Cu with a width of 2.2 mm, a thickness of 1.0 mm, and a length of 9 mm, and the surface metal layer 11C was made of a Pt—Ir alloy. The test was performed by measuring the rising amount twice at each angle by changing the additional angle θ1 of the ground electrode 11 having this configuration to 0 degree, 15 degrees, 30 degrees, 45 degrees, and 60 degrees.
When the remainder angle θ1 is 0 degree, the spark plug 100 having the configuration of the second embodiment is used, and otherwise, the spark plug 100 having the configuration of the first embodiment is used. The test conditions were as follows. The plug of Example 1 was attached to a 2.0-liter 6-cylinder engine, and fully opened at 5000 rpm (100% throttle) alternately for 1 minute and idling for 1 minute. Drove. At this time, the temperature outside the ground electrode 11 was 950 ° C. Then, the position of the tip of the ground electrode 11 after the test is compared with the position of the tip of the ground electrode 11 before the test, and the other end 11B of the ground electrode 11 is separated from the tip surface 2B of the center electrode 2. “Wake-up amount”, which is the amount of movement in the direction of movement, was measured.
[0038]
In the graph shown in FIG. 5, the graph is drawn by the average of the measured values of the rising amount at each angle of the additional angle θ1. As shown in FIG. 5, when the residual angle θ1 of the ground electrode 11 is 0 degree, the average amount of rising is 0 mm, and when the residual angle θ1 of the ground electrode 11 is 15 degrees, the amount of rising is When the average is 0.005 mm and the residual angle θ1 of the ground electrode 11 is 30 degrees, the average amount of rising is 0.010 mm and when the residual angle θ1 of the ground electrode 11 is 45 degrees When the average rise amount is 0.015 mm and the residual angle θ1 of the ground electrode 11 is 60 degrees, the average rise amount is 0.09 mm. From this result, when the residual angle θ1 of the ground electrode 11 is 0 to 45 degrees, the rising amount of the ground electrode 11 is 0.015 mm or less. However, the residual angle θ1 of the ground electrode 11 is 60 degrees. In this case, the rising amount of the ground electrode 11 becomes 0.09 mm, the spark discharge gap is widened, the spark discharge becomes weak, or the spark discharge does not occur, causing misfire. Therefore, as a result of the above test, it has been found that a sufficient angle θ1 of the ground electrode 11 is in the range of 0 to 45 degrees.
[0039]
Next, with reference to FIG. 6, the result of the durability test performed using the spark plug 100 of Example 1 will be described. FIG. 6 is a graph showing the results of an endurance test performed using the spark plug 100 of Example 1, the spark plug of Comparative Example 1 (not shown), and the spark plug of Comparative Example 2 (not shown). The spark plug of Comparative Example 1 is obtained by welding a noble metal tip to the tip of a Ni alloy ground electrode, and the other structure is the same as that of the spark plug 100 of Example 1. In the spark plug of Comparative Example 2, the ground electrodes are all precious metals, and the other structures are the same as those of the spark plug 100 of Example 1. The endurance test was conducted by mounting the spark plug 100 of Example 1, the spark plug of Comparative Example 1 and the spark plug of Comparative Example 2 on a 24-L 6-cylinder engine for generator.
[0040]
As shown in FIG. 6, as a result of the durability test, the noble metal tip of the ground electrode peeled off in about 250 hours in the spark plug of Comparative Example 1. In the spark plug of Comparative Example 2, the ground electrode corroded in about 300 hours. On the other hand, in the spark plug 100 of Example 1, no problem occurred in the ground electrode even for 1000 hours.
[0041]
As described above, in the spark plug 100 according to the present embodiment, the surface metal layer 11C of the ground electrode 11 is made of a noble metal or a noble metal alloy, and a metal having higher thermal conductivity than the surface metal layer 11C inside the ground electrode 11. Since the core material 11D is embedded, the heat dissipation from the ground electrode 11 to the metal shell 5 can be improved, and the ground electrode 11 can be prevented from being corroded by heating. Further, of the intersection angles of the tangent line 11F at the maximum curvature of the inner peripheral surface of the ground electrode 11 on the center electrode 2 side and the virtual plane 2C obtained by horizontally extending the plane of the tip surface 2B of the center electrode 2, Since the small angle θ1 is set to 0 to 45 degrees, the ground electrode 11 is separated from the front end surface 2B of the center electrode 2 when the ground electrode 11 made of a plurality of metals having different coefficients of thermal expansion is exposed to a high temperature for a long time. It becomes difficult to get up to move in the direction to go.
[0042]
The present invention is not limited to the first embodiment described above, and various modifications can be made. Hereinafter, the ground electrode 11 of the spark plug 100 according to the third and fourth embodiments will be described with reference to FIGS. 7 and 8. FIG. 7 is a partial cross-sectional view of the ground electrode 11 of the spark plug 100 of the third embodiment, and FIG. 8 is a partial cross-sectional view of the ground electrode 11 of the spark plug 100 of the fourth embodiment. The main structure of the spark plug 100 of the third and fourth embodiments is the same as that of the spark plug 100 of the first embodiment, except that the structure of the ground electrode 11, the ground electrode 11 and the main structure are the same. It is an attachment structure with the front-end | tip part 5D of the metal fitting 5. FIG. Therefore, the description of the same points as the spark plug 100 of the first embodiment below is omitted, and different points will be described.
[0043]
First, the structure of the ground electrode 11 of the spark plug 100 according to the third embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 7, the ground electrode 11 of the third embodiment is formed in a straight square bar shape, and its one end 11 A protrudes from the tip 5 D of the metal shell 5 in parallel to the axial direction of the spark plug 100. It is welded to the side surface of the provided electrode holding part 5G on the center electrode 2 side. Accordingly, the ground electrode 11 extends from the side surface facing the center electrode 2 of the electrode holding portion 5G protruding from the distal end portion 5D of the metal shell 5 in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the spark plug 100. An inner surface 11E of the other end portion 11B of the other end portion 11B faces the distal end surface 2B of the center electrode 2 with a predetermined gap.
[0044]
Similarly to the first embodiment, the surface of the ground electrode 11 is composed of a surface metal layer 11C made of a noble metal or an alloy thereof, and the ground electrode 11 has a thermal conductivity higher than that of the surface metal layer 11C. A metal core 11D made of a metal excellent in the above or an alloy thereof is embedded. The metal core 11D is not exposed at the joint surface 5E between the ground electrode 11 and the tip 5D of the threaded portion 5B of the metal shell 5, that is, the metal core 11D exists on the joint surface 5E. It is supposed not to. In the third embodiment, the residual angle θ1 of the ground electrode 11 is 0 degree.
[0045]
Next, the structure of the ground electrode 11 of the spark plug 100 according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 8, the external shape of the ground electrode 11 of the spark plug 100 of the fourth embodiment is the same as that of the ground electrode 11 of the first embodiment, and is connected to the tip 5D of the metal shell 5. The mounting structure is the same. The ground electrode 11 of the spark plug 100 according to the fourth embodiment is different from the first embodiment in the structure inside the ground electrode 11. Specifically, the ground electrode 11 of the spark plug 100 according to the fourth embodiment has a three-layer structure including an internal metal layer 11G, a metal core 11D, and a surface metal layer 11C from the inside. First, the outer peripheral portion of the ground electrode 11 is composed of a surface metal layer 11C made of a noble metal or an alloy thereof, as in the first embodiment. As an example of the metal composing the surface metal layer 11C, a Pt—Ir alloy is used. Further, as the surface metal layer 11C, at least one of noble metals such as Pt, Ir, Rh, W, Ru, Re, or at least one of these alloys may be used.
[0046]
Next, the metal core material 11D of the ground electrode 11 of the spark plug 100 according to the fourth embodiment will be described. Inside the ground electrode 11, similarly to the ground electrode 11 of the first embodiment, a metal core material 11 D is embedded along the longitudinal direction of the ground electrode 11. Similarly to the first embodiment, this metal core 11D is not exposed at the joint surface 5E between the ground electrode 11 and the tip 5D of the threaded portion 5B of the metal shell 5, that is, on the joint surface 5E. The metal core material 11D does not exist. Further, the joining surface 5E and the orthogonal projection image projected on the virtual plane 5F obtained by extending the metal core 11D to the joining surface 5E do not overlap. That is, in FIG. 8, the metal core 11D does not exist in the virtual region in the vertical direction of the joint surface 5E. Further, an orthographic image obtained by projecting the metal core 11D onto a virtual plane 2C in which the front end surface 2B of the center electrode 2 extends horizontally overlaps at least a part of the front end surface 2B of the center electrode 2, and preferably all overlap. .
[0047]
The material of the metal core material 11D of the ground electrode 11 of the spark plug 100 according to the fourth embodiment is a material having better thermal conductivity than the surface metal layer 11C, as in the first embodiment. Specifically, a material having higher thermal conductivity than the metal of the surface metal layer 11C to be used is selected and used from at least one of Cu, Ni, Fe, Au, Ag or an alloy thereof.
[0048]
Next, the inner metal layer 11G will be described. As shown in FIG. 8, the internal metal layer 11G is provided inside a metal core 11D, and the internal metal layer 11G is made of a metal different from the metal core 11D. The metal core material 11D is more excellent in thermal conductivity than the internal metal layer 11G. As an example of the metal used for the internal metal layer 11G, noble metals such as Pt, Ir, Rh, W, Ru, Re, or alloys thereof can be used.
[0049]
As in the fourth embodiment, the ground electrode 11 has a three-layer structure including an internal metal layer, a metal core material, and a surface metal layer from the inside, and the metal core material is heated more than the internal metal layer and the surface metal layer. By using a metal having excellent conductivity, the heat dissipation effect from the ground electrode 11 to the metal shell 5 is enhanced, and a metal core material having a high thermal conductivity (good) and a surface metal layer having a low thermal conductivity (bad). The rise of the ground electrode 11 due to the difference in thermal expansion coefficient due to the combination can be prevented by an internal metal layer having a thermal conductivity lower than that of the metal core material, that is, the thermal expansion coefficient is the same as or close to that of the surface metal layer.
[0050]
Next, an example in which the length of the metal core 11D is shortened will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a partial cross-sectional view of the ground electrode 11 of the spark plug 100 of the fifth embodiment, and FIG. 10 is a partial cross-sectional view of the ground electrode 11 of the spark plug 100 of the sixth embodiment. The main structure of the spark plug 100 of the fifth embodiment is the same as that of the spark plug 100 of the first embodiment, and the difference is the length of the metal core 11D of the ground electrode 11. The main structure of the spark plug 100 of the sixth embodiment is the same as that of the spark plug 100 of the second embodiment, and the difference is the length of the metal core 11D of the ground electrode 11. Therefore, the following different points will be described.
[0051]
As shown in FIGS. 9 and 10, the metal core material 11 D of the ground electrode 11 of the fifth and sixth embodiments is not necessarily extended to the inside of the other end portion 11 B side of the ground electrode 11. In other words, the orthogonal projection image obtained by projecting the metal core 11D onto the virtual plane 2C obtained by horizontally extending the tip surface 2B of the center electrode 2 may be at least partially overlapped with the tip surface 2B of the center electrode 2. . The ground electrode 11 having this configuration can also release heat to the metal shell 5 to prevent the ground electrode 11 from being heated. Further, the joining surface 5E of the ground electrode 11 and the orthogonal projection image projected on the virtual plane 5F obtained by extending the metal core 11D to the joining surface 5E do not necessarily have to overlap with each other as shown in FIGS. Some of them may overlap. Even in such a case, the heat of the ground electrode 11 can be released by releasing the heat of the ground electrode to the metal shell.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a spark plug 100 according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the vicinity of a ground electrode 11 of the spark plug 100 according to the first embodiment.
FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the vicinity of a ground electrode 11 of a spark plug 100 according to a second embodiment.
FIG. 4 is a perspective view of a ground electrode 11 according to the first embodiment.
FIG. 5 is a graph illustrating an angle of a remainder angle θ1 and a rising amount of the ground electrode 11 according to the first embodiment.
FIG. 6 is a graph showing the results of an endurance test performed using the spark plug 100 of Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2;
FIG. 7 is a partial cross-sectional view in the vicinity of a ground electrode 11 of a spark plug 100 according to a third embodiment.
FIG. 8 is a partial cross-sectional view in the vicinity of a ground electrode 11 of a spark plug 100 according to a fourth embodiment.
FIG. 9 is a partial cross-sectional view of the vicinity of a ground electrode 11 of a spark plug 100 according to a fifth embodiment.
FIG. 10 is a partial cross-sectional view of the vicinity of a ground electrode 11 of a spark plug 100 according to a sixth embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Insulator
2 Center electrode
2B Tip surface
4 Terminal bracket
5 metal shell
5A Hexagon
5B Screw part
5D tip
5E joint surface
5G electrode holder
11 Ground electrode
11A One end
11B The other end
11C Surface metal layer (third layer)
11D metal core (second layer)
11E inner surface
11G Internal metal layer (first layer)
100 spark plug

Claims

An insulator in which a center electrode is inserted into a through-hole penetrating in the axial direction, a metal shell that holds the insulator, one end of the metal shell is joined to the tip, and the other end faces the center electrode A spark plug in which a spark discharge gap is formed between the inner surface of the other end of the ground electrode and the tip of the center electrode,
A surface metal layer made of a noble metal or an alloy thereof covering the surface of the ground electrode;
A metal core that is provided inside the ground electrode and has better thermal conductivity than the surface metal layer;
A spark discharge surface comprising a plane formed in a direction perpendicular to the axial direction of the center electrode at the tip of the center electrode;
The spark discharge surface and the inner surface are formed in parallel,
A small angle is 0 to 45 degrees among intersection angles between a tangent line at the maximum curvature of the inner peripheral surface of the ground electrode on the center electrode side and a virtual plane extending horizontally from the inner surface. Features a spark plug.

The spark plug according to claim 1, wherein the noble metal is at least one of Pt, Ir, Rh, W, Ru, and Re.

The spark plug according to claim 1 or 2, wherein the metal core is made of at least one of Cu, Ni, Fe, Au, Ag, or an alloy thereof.

The ground electrode has an internal metal material made of a metal different from the metal core material provided in the metal core material,
The spark plug according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal core material has better thermal conductivity than the internal metal material and the surface metal layer.

The spark plug according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal core material does not exist on a joint surface of the ground electrode to the metal shell.

The spark plug according to any one of claims 1 to 5, wherein the joining surface does not overlap with an orthogonal projection image obtained by projecting the metal core material on a virtual plane extending on the joining surface.

The orthogonal projection image which projected the said metal core material on the virtual plane which extended the said spark discharge surface horizontally overlaps at least partially on the said spark discharge surface, The one in any one of Claim 1 thru | or 6 characterized by the above-mentioned. Spark plug.

The spark plug according to any one of claims 1 to 7, wherein the ground electrode and the metal shell are joined by at least two welding methods of resistance welding, laser welding, and arc welding. .