JP2005123181A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】
中心電極側の貴金属チップと、接地電極の電極母材表面から突出した状態で溶接した直径の小さい貴金属チップとの各部寸法等を規定することによって、着火性と耐久性とを両立させることのできるスパークプラグを提供する。
【解決手段】
中心電極３側貴金属チップ５１ｂからなる先端部５１の直径をφＡ（ｍｍ）とし、接地電極４側貴金属チップ５２ｂからなる放電部５２の直径をφＢ（ｍｍ）、接地電極母材表面４ａからの突出量をＣ（ｍｍ）としたときに、
φＢ≦０．８ｍｍ
φＢ／φＡ≧１．４
０．５ｍｍ≦Ｃ≦１．２ｍｍ
の関係を満足する。
【選択図】
図２

Description

本発明は、スパークプラグに関する。

特開２００２−３１９４６９号公報には、中心電極側及び接地電極側に貴金属を主体とする貴金属チップが接合されており、中心電極側及び接地電極側の貴金属チップの外径が０．８ｍｍ以下及び接地電極母材からの突出量が０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の例が開示されている。また、特開２００２−１８４５５１号公報には、中心電極側及び接地電極側に貴金属を主体とする貴金属チップが接合されており、中心電極側及び接地電極側の貴金属チップの外径が０．８ｍｍ以下及び接地電極母材からの突出量が０．５ｍｍ以上１．２ｍｍ以下の例が開示されている。
特開２００２−３１９４６９号公報 特開２００２−１８４５５１号公報

上記公報に開示されている貴金属チップのうち、着火性を一層向上させるために、接地電極側の貴金属チップの外径を細く、電極母材から突出させる場合には、接地電極側の貴金属チップの温度が上昇しやすいため、中心電極側の貴金属チップに比べて消耗量が多くなる。このため、中心電極側の貴金属チップの耐久性と比較して、接地電極側の貴金属チップの耐久性が不足する傾向にある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、高い着火性を維持しつつ、接地電極側の貴金属チップの耐久性を向上させることのできるスパークプラグを提供することを目的とする。

本第一発明のスパークプラグは、中心電極３と、この中心電極３に配設された先端部５１を突出させた状態で中心電極３の周囲を覆う絶縁体２と、この絶縁体２を保持する主体金具１と、主体金具１に固定され、中心電極３の先端部５１の先端面５１ａと自身の先端面５２ａとの間で放電ギャップ６を形成する放電部５２が電極母材表面４ａから突出する様に配設された接地電極４と、を有するスパークプラグにおいて、貴金属を主体とする貴金属チップ（５１ｂ）からなる先端部５１の直径をφＡ（ｍｍ）とし、貴金属を主体とする貴金属チップ（５２ｂ）からなる前記放電部５２の直径をφＢ（ｍｍ）、電極母材表面４ａからの突出量をＣ（ｍｍ）としたときに、
φＢ≦０．８ｍｍ
φＢ／φＡ≧１．４
０．５ｍｍ≦Ｃ≦１．２ｍｍ
の関係を満足することを特徴とする。

中心電極チップよりも外側電極チップの径を大きくすることで、中心電極チップと外側電極チップがバランス良く消耗する為、高い着火性を維持することができる。

本第二発明のスパークプラグは、中心電極３と、この中心電極３に配設された先端部５１を突出させた状態で中心電極３の周囲を覆う絶縁体２と、この絶縁体２を保持する主体金具１と、主体金具１に固定され、中心電極３の前記先端部５１の先端面５１ａと自身の先端面５２ａとの間で放電ギャップ６を形成する放電部５２が電極母材表面４ａから突出する様に配設された接地電極４と、を有するスパークプラグにおいて、貴金属を主体とする貴金属チップ（５１ｂ）からなる前記先端部５１の直径をφＡ（ｍｍ）とし、大気雰囲気１０００℃の電気炉に１００時間放置した場合における残存率が９０％以上の、貴金属を主体とする貴金属チップ（５２ｂ）からなる放電部５２の直径をφＢ（ｍｍ）、電極母材表面４ａからの突出量をＣ（ｍｍ）としたときに、
φＢ≦０．８ｍｍ
φＢ／φＡ≧１．２
０．５ｍｍ≦Ｃ≦１．２ｍｍ
の関係を満足することを特徴とする。

一般的に中心電極側の温度に比べて、接地電極側の温度は１００〜２００℃高い為、接地電極側の貴金属チップに中心電極側より耐高温酸化性に優れた貴金属材を用いることで接地電極側の貴金属チップの消耗を低減することができる。中心電極チップの直径と外側電極チップの直径との比を第一発明の場合と比較して若干小さくとも、中心電極チップと外側電極チップがバランス良く消耗する。このため、より高い着火性を維持することができる。

前記放電部（５２）は、白金を主体とする白金及びイリジウムからなる合金であって、ニッケルを含有してもよく、イリジウム及びニッケルの含有量が合計で２０質量％以下であり、かつ、ニッケルが１０質量％以下である合金からなる貴金属チップ、白金を主体とする白金及びロジウムからなる合金であって、ニッケルを１０質量％以下の比率で含有してもよい合金からなる貴金属チップ、又は、白金、イリジウム及びロジウムを少なくとも含有すると共に、イリジウムに対するロジウムの比率が質量比で２０％以上であって、ニッケルが１０質量％以下の比率で含有してもよい合金からなる貴金属チップの何れか１種類にすることが望ましい。また、接地電極に電極母材よりも熱伝導率の良い材料を封入することによって、接地電極の温度を低減することができる。したがって、接地電極側の貴金属チップの消耗量を更に低減することができ、効果をより一層維持できる。

以下、本発明の好ましい実施形態であるスパークプラグに付いて説明する。

本実施形態のスパークプラグを図１に示す。図１に示すように、スパークプラグは、円筒形状の主体金具１を有しており、この主体金具１は、図示しないエンジンブロックに固定するための取付ネジ部１ａを備えている。主体金具１の内部には、アルミナセラミック（Ａｌ₂
Ｏ₃ ）等からなる絶縁体２が固定されており、この絶縁体２の軸孔２ａに中心電極３が固定されている。絶縁体２の先端部２ｂは、主体金具１から露出するように設けられている。

中心電極３は、内部にＣｕ等の熱伝導性に優れた金属材料が配置されており、その外部を覆うようにインコネル６００（商標名）からなるニッケル基合金等の耐熱性および耐食性に優れた金属材料により構成された円柱体である。そして、その先端部５１が絶縁体２の先端部２ｂから露出するように設けられている。また、その先端部５１は、断面円形に形成されたイリジウム合金からなる貴金属チップ５１ｂによって形成されている。

中心電極３は先端側が細径部３ｃに形成されており、この細径部３ｃの先端に更にストレート部が形成されている。このストレート部の先端に貴金属チップを載置した後、レーザ溶接により固定することによって先端部５１を形成している。このストレート部の外径は、貴金属チップ５１ｂの外径よりもやや大きく形成されている。レーザ溶接のスポットは、貴金属チップ５１ｂの外周部の周方向に４５°間隔で８点行なっている。この貴金属チップ５１ｂはイリジウムを主体とした貴金属合金であり、例えば、９５質量％イリジウムと５質量％白金との合金、８０質量％イリジウムと２０質量％ロジウムとの合金、９５質量％イリジウムと５質量％イットリアとの合金等各種のイリジウム材を使用することができる。なお、本明細書において、主体とするとは、含有率が５０％を超えることをいうものと定義する。

主体金具１の一端には、接地電極４が溶接により固定されている。この接地電極４は、インコネル６００（商標名）からなるニッケル基合金等の金属材料によって形成されている。そして、内部には電極母材４ｂよりも熱伝導率の良い銅や純ニッケル等の良熱伝導材が封入されている。また、電極母材表面４ａから突出する様に貴金属を主成分とする貴金属チップ５２ｂをレーザ溶接によって電極母材表面４ａに接合することによって放電部５２が形成され、この放電部５２の先端面５２ａと中心電極３の先端部５１の先端面５１ａとで放電ギャップ６を形成している。なお、一般に接地電極４の幅は、２．２ｍｍ〜２．８ｍｍ程度に形成される。この放電部５２は、断面円形の白金又はイリジウムを主体とした貴金属合金であり、例えば、８０質量％白金と２０質量％イリジウムとの合金、８０質量％白金と２０質量％ロジウムとの合金、８０質量％白金と２０質量％ニッケルとの合金等各種の白金材を使用することができる。

なお、より高い着火性を耐久寿命中維持する必要がある場合には、大気雰囲気１０００℃の電気炉に１００時間放置した場合における残存率が９０％以上の、貴金属合金を使用する必要がある。このような貴金属合金は白金主体である場合が多いが、イリジウムを主体とする合金であってもこの条件を満足するのであれば使用することができる。一般的には、中心電極３側の先端部５１の方が、接地電極４側の放電部５２よりも、火花放電による消耗量が大きい。また、接地電極４側の方が中心電極３側よりも高温になりやすい。よって、先端部５１を火花放電による耐消耗性の高いイリジウム合金とし、放電部５２を高温で酸化揮発を生じない白金合金としている場合が多い。上記に定義した残存率９０％以上を満足するためには、白金を主体とする白金及びイリジウムからなる合金であって、ニッケルを含有してもよく、イリジウム及びニッケルの含有量が合計で２０質量％以下であり、かつ、ニッケルが１０質量％以下である合金からなる貴金属チップ、白金を主体とする白金及びロジウムからなる合金であって、ニッケルを１０質量％以下の比率で含有してもよい合金からなる貴金属チップ、又は、白金、イリジウム及びロジウムを少なくとも含有すると共に、イリジウムに対するロジウムの比率が質量比で２０％以上であって、ニッケルが１０質量％以下の比率で含有してもよい合金からなる貴金属チップの何れか１種類とすればよい。

以上説明した本発明の好ましい実施の形態の効果を確認するために、以下の実験を行った。先ず、所定量のイリジウムとロジウムとを配合・溶解することにより８０質量％イリジウム−２０質量％ロジウムの組成を有する合金を作成した。この合金に対して所定の加工を施すことにより、直径０．３ｍｍ（＝φＡ）、長さ０．８ｍｍの中心電極３側の貴金属チップ５１ｂを得た。また、同様に所定量の白金とロジウムとを配合・溶解することにより８０質量％白金−２０質量％ロジウムの組成を有する合金を作成した。この合金に対して所定の加工を施すことにより、各種直径及び長さを有する接地電極４側の貴金属チップ５２ｂを得た。

それらチップを用いてスパークプラグの先端部５１及び放電ギャップ６を０．８ｍｍに設定して対向する放電部５２を形成した。図２に示す放電部５２の直径Ｂ及び突出量Ｃは、後述する図３の各部寸法の試験用スパークプラグを用意した。そして、これらの各試験用スパークプラグの着火性試験を以下の条件にて行った。即ち、この着火性の試験は、ロード・ロードリーンバーン方によって行った。試験には空燃比（Ａ／Ｆ）を変更できるようにした直列６気筒、２リッター、ＤＯＨＣのエンジンを用いた。テスト条件は２０００ｒｐｍ、６０ｋｍ／ｈ定置走行相当の条件とした。そして、各種空燃比における、１０００サイクルの図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）の平均値に対して５０％以下となった場合を失火と判断し、失火が１０回発生するＡ／Ｆを着火限界とした。結果を図３に示す。

この結果から、放電部５２の直径Ｂが１．０ｍｍの場合には、他の外径Ｂの場合と比較して大きく着火限界Ａ／Ｆが下回っていることがわかる。また、突出量Ｃが０．５ｍｍ以上の場合には、それ未満の場合と比較して大きく着火限界Ａ／Ｆが向上していることがわかる。即ち、放電部５２の直径Ｂを０．８ｍｍ以下とし、さらに突出量Ｃを０．５ｍｍ以上とすることにより、着火限界Ａ／Ｆが大きく向上することがわかる。

次に、耐高温酸化性試験を行った。貴金属チップ５１ｂ、５２ｂは前述の製造方法と同様に製造したが、中心電極側の貴金属チップ５１ｂの直径Ａは０．５ｍｍとした。先ず、接地電極４側の貴金属チップ５２ｂを８０質量％白金−２０質量％ニッケルとした試験用スパークプラグについて耐高温酸化性試験を行った。

即ち、この試験には、直列６気筒、２リッター、ＤＯＨＣのエンジンを用いた。テスト条件は４９００ｒｐｍ、全開で２５０時間の耐久試験を行った。この条件では、接地電極４の母材温度が約１０００℃となる条件である。そして、各試験用スパークプラグについて、試験終了後の放電ギャップ６の増加量を測定した。結果を図４に示す。

この結果から、先端部５１の直径Ａと放電部５２の直径Ｂとの比Ｂ／Ａが１．０及び１．２の場合には、他のＢ／Ａの場合と比較して大きく放電ギャップが増加していることがわかる。また、突出量Ｃが１．５ｍｍより大きい場合には、放電ギャップ６の増加量が大きくなりつつあることがわかる。即ち、Ｂ／Ａを１．４以上とし、さらに突出量Ｃを１．２ｍｍ以下とすることにより、耐高温酸化性が大きく向上することがわかる。

そして次に、接地電極４側の貴金属チップ５２ｂを白金主体の貴金属合金、具体的には、８０質量％白金−２０質量％ロジウムとした試験用スパークプラグについて上述と同様の耐高温酸化性試験を行った。結果を図５に示す。

この結果から、先端部５１の直径Ａと放電部５２の直径Ｂとの比Ｂ／Ａが１．０の場合には、他のＢ／Ａの場合と比較して大きく放電ギャップが増加していることがわかる。また、突出量Ｃが１．５ｍｍより大きい場合には、放電ギャップ６の増加量が大きくなりつつあることがわかる。即ち、Ｂ／Ａを１．２以上とし、さらに突出量Ｃを１．２ｍｍ以下とすることにより、耐高温酸化性が大きく向上することがわかる。

さらに、イリジウム主体とする貴金属合金及び白金を主体とする貴金属合金各種の高温酸化特性を調べた。この試験は、上述のようなスパークプラグでの試験ではなく、大気雰囲気１０００℃の電気炉に１００時間放置した後の貴金属合金チップの重量を測定することによって残存率を算出したものである。結果を図６に示す。

この結果から、イリジウムは酸化揮発性が高いため、酸化揮発を殆ど生じない白金に２０質量％よりも多く添加すると残存率が９０％を下回ってしまうことがわかる。ただし、このイリジウムが２０質量％以上であってもロジウムを添加することによって酸化揮発を押さえることができていることがわかる。これは、ロジウムが酸化膜を作るために、イリジウムの酸化揮発を抑えるためであろうと考えられている。この結果から、白金主体の貴金属合金であっても、添加される金属の種類及び量によっては、残存率が９０％を下回る場合があることが分かる。また、イリジウム主体の貴金属合金であっても、添加される金属の種類及び量によっては、残存率が９０％を上回る場合があることが分かる。

以上の試験結果から、先端部５１の直径をφＢと、放電部５２の直径をφＡ及び母材表面４ａからの突出量をＣとが、φＢ≦０．８ｍｍ、φＢ／φＡ≧１．４、かつ０．５ｍｍ≦Ｃ≦１．２ｍｍの関係を満足することによって、着火性と耐久性を長期間維持できることがわかる。

また、接地電極４側の貴金属チップ５１ａが大気雰囲気１０００℃の電気炉に１００時間放置した場合における残存率が９０％以上である場合、例えば、８０質量％白金−２０質量％ロジウム、７５質量％白金−２０質量％イリジウム−５質量％ロジウム、８０質量％イリジウム−２０質量％ロジウム等の場合には、φＢ／φＡ≧１．２関係を満足する場合であっても、着火性と耐久性を長期間維持できることがわかる。

本発明のスパークプラグの一実施例を示す正面図である。 本発明のスパークプラグの要部拡大図である。 着火性の試験結果を示すグラフである。 接地電極側貴金属チップにイリジウム合金を用いた場合の耐高温酸化性試験結果を示すグラフである。 接地電極側貴金属チップに残存率が９０％以上の白金合金を用いた場合の耐高温酸化性試験結果を示すグラフである。 貴金属チップ単体での高温酸化特性試験の結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 主体金具
１ａ 取付ネジ
２ 絶縁体
３ 中心電極
４ 接地電極
４ａ 電極母材表面
４ｂ 電極母材
４ｃ 良熱伝導材
５１ 先端部
５１ａ先端面
５１ｂ貴金属チップ
５２ 放電部
５２ａ先端面
５２ｂ貴金属チップ
６ 放電ギャップ
Ａ 中心電極側の先端部の直径
Ｂ 接地電極側の放電部の直径
Ｃ 接地電極側の放電部の電極母材表面からの突出量

Claims (4)

1. 中心電極（３）と、
   前記中心電極（３）に配設された先端部（５１）を突出させた状態で前記中心電極（３）の周囲を覆う絶縁体（２）と、
   前記絶縁体（２）を保持する主体金具（１）と、
   前記主体金具（１）に固定され、前記中心電極（３）の前記先端部（５１）の先端面（５１ａ）と自身の先端面（５２ａ）との間で放電ギャップ（６）を形成する放電部（５２）が電極母材表面（４ａ）から突出する様に配設された接地電極（４）と、
   を有するスパークプラグにおいて、
   貴金属を主体とする貴金属チップ（５１ｂ）からなる前記先端部（５１）の直径をφＡ（ｍｍ）とし、
   貴金属を主体とする貴金属チップ（５２ｂ）からなる前記放電部（５２）の直径をφＢ（ｍｍ）、前記電極母材表面表面（４ａ）からの突出量をＣ（ｍｍ）としたときに、
   φＢ≦０．８ｍｍ
   φＢ／φＡ≧１．４
   ０．５ｍｍ≦Ｃ≦１．２ｍｍ
   の関係を満足することを特徴とするスパークプラグ。
2. 中心電極（３）と、
   前記中心電極（３）に配設された先端部（５１）を突出させた状態で前記中心電極（３）の周囲を覆う絶縁体（２）と、
   前記絶縁体（２）を保持する主体金具（１）と、
   前記主体金具（１）に固定され、前記中心電極（３）の前記先端部（５１）の先端面（５１ａ）と自身の先端面（５２ａ）との間で放電ギャップ（６）を形成する放電部（５２）が電極母材表面（４ａ）から突出する様に配設された接地電極（４）と、
   を有するスパークプラグにおいて、
   貴金属を主体とする貴金属チップ（５１ｂ）からなる前記先端部（５１）の直径をφＡ（ｍｍ）とし、
   大気雰囲気１０００℃の電気炉に１００時間放置した場合における残存率が９０％以上の、貴金属を主体とする貴金属チップ（５２ｂ）からなる前記放電部（５２）の直径をφＢ（ｍｍ）、前記電極母材表面（４ａ）からの突出量をＣ（ｍｍ）としたときに、
   φＢ≦０．８ｍｍ
   φＢ／φＡ≧１．２
   ０．５ｍｍ≦Ｃ≦１．２ｍｍ
   の関係を満足することを特徴とするスパークプラグ。
3. 前記放電部（５２）は、
   白金を主体とする白金及びイリジウムからなる合金であって、ニッケルを含有してもよく、イリジウム及びニッケルの含有量が合計で２０質量％以下であり、かつ、ニッケルが１０質量％以下である合金からなる貴金属チップ、白金を主体とする白金及びロジウムからなる合金であって、ニッケルを１０質量％以下の比率で含有してもよい合金からなる貴金属チップ、又は、白金、イリジウム及びロジウムを少なくとも含有すると共に、イリジウムに対するロジウムの比率が質量比で２０％以上であって、ニッケルが１０質量％以下の比率で含有してもよい合金からなる貴金属チップの何れか１種類からなることを特徴とする請求項２のスパークプラグ。
4. 前記接地電極（４）には、電極母材（４ｂ）よりも熱伝導率の良い材料（４ｃ）が封入されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のスパークプラグ。

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