JP2009037749A - 内燃機関用のスパークプラグ - Google Patents

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Abstract

【課題】耐火花消耗性及び耐酸化性に優れた長寿命の内燃機関用のスパークプラグを提供すること。
【解決手段】互いの間に火花放電ギャップ11を設けた中心電極2と接地電極3とを有する内燃機関用のスパークプラグ1。中心電極2及び接地電極3の少なくとも一方には、貴金属チップ21、31が接合されている。貴金属チップ21、31は、Rhに、Si、In、Ceの少なくとも一種以上を添加してなるRh基合金からなる。Siの添加量は1重量%以下、InとCeとの合計の添加量は、2重量%以下である。
【選択図】図1

Description

本発明は、自動車、コージェネレーション、ガス圧送用ポンプ等に使用する内燃機関用のスパークプラグに関する。
従来より、自動車等の内燃機関の着火手段として用いられる内燃機関用のスパークプラグがある。
該スパークプラグは、中心電極と接地電極とを有し、その間に火花放電ギャップを設けている。この火花放電ギャップにおける火花放電によって、混合気体に着火する。
そして、火花放電ギャップにおける飛火性、着火性、耐久性等を向上させるべく、中心電極及び接地電極の互いの対向面に、それぞれ貴金属チップを配設してなるスパークプラグがある(特許文献1)。
上記貴金属チップとしては、Ir(イリジウム)やPt(白金)が使用されている。
しかしながら、近年、内燃機関の高性能化により、燃焼室の温度が高くなる傾向にあり、貴金属チップの耐消耗性をより向上させる必要が生じている。
すなわち、スパークプラグの放電部の温度が例えば1000℃以上の高温となると、貴金属チップの消耗が加速されるおそれがある。貴金属チップの消耗の原因は、火花エネルギにより電極が瞬間的に溶融することによる消耗と、酸化による消耗とがある。
そして、上記の高温環境下においては、貴金属チップの主成分をIrとすると、Irの酸化揮発による消耗の加速が生じるおそれがある。また、Ptからなる貴金属チップは、火花放電による溶融による消耗が加速するおそれがある。
その結果、近年のスパークプラグの長寿命化の要求に対応することが困難となる場合がある。
そこで、高融点であると共に酸化揮発し難いRh(ロジウム)を使用することにより、火花消耗と酸化揮発との双方を抑制することが考えられる。
ところが、Rhを上記貴金属チップとして用いると、Rhの有する脆いという特性により、燃焼の熱による熱応力により、貴金属チップが割れてしまうおそれがある。割れの主要因としては、粒界割れであると考えられている。すなわち、貴金属チップが高温環境下に曝されることにより、貴金属チップを構成するRhが過度に粒成長を起こす。そのために、結晶粒の欠落が生じやすくなり、粒界割れが生じやすくなると考えられる。
特開2003−317896号公報
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、耐火花消耗性及び耐酸化性に優れた長寿命の内燃機関用のスパークプラグを提供しようとするものである。
本発明は、互いの間に火花放電ギャップを設けた中心電極と接地電極とを有する内燃機関用のスパークプラグにおいて、
上記中心電極及び上記接地電極の少なくとも一方には、貴金属チップが接合されており、
該貴金属チップは、Rhに、Si、In、Ceの少なくとも一種以上を添加してなるRh基合金からなると共に、Siの添加量は1重量%以下、InとCeとの合計の添加量は2重量%以下であることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグにある(請求項1)。
次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記スパークプラグにおいては、上記中心電極と上記接地電極との少なくとも一方に、Rhを主成分とした貴金属チップを接合してなる。Rhは高融点であると共に酸化揮発し難いため、上記貴金属チップの耐火花消耗性と耐酸化揮発性との双方を向上させることができる。
また、上記貴金属チップは、主成分のRh(ロジウム)に、Si(ケイ素)、In(インジウム)、Ce(セリウム)の少なくとも一種以上を添加してなる。これにより、貴金属チップを、粒界強度の高い素材とすることができる。そのため、熱応力に対する強度を向上させ、耐久性に優れた貴金属チップを得ることができ、長寿命のスパークプラグを得ることができる。
すなわち、主成分のRhに、Si、In、Ceの少なくとも一種以上を含有させることにより、高温下におけるRhの結晶粒の成長を抑制して、Rh結晶粒の粗大化を防ぐことができる。これにより、貴金属チップの粒界割れを抑制し、耐久性の高い貴金属チップを得ることができる。
以上のごとく、本発明によれば、耐火花消耗性及び耐酸化性に優れた長寿命の内燃機関用のスパークプラグを提供することができる。
本発明(請求項1)において、上記内燃機関用のスパークプラグは、例えば、自動車、コージェネレーション、ガス圧送用ポンプ等における内燃機関の着火手段として用いることができる。
また、上記貴金属チップを構成するRh基合金は、Rhに、Si、In、Ceをそれぞれ単独で添加してもよいし、適宜組合わせて添加してもよい。また、RhにSiを単独で添加する場合には、Siの含有量は0.01重量%以上とすることが好ましい。また、Siを添加しない場合には、InとCeとを両者の合計が0.2重量%以上となるように、InとCeとを組合わせて、或いは単独で添加することが好ましい。
なお、上記Rh基合金において、Rhは90重量%以上であることが好ましい。
また、上記接地電極は、上記貴金属チップを接合してなることが好ましい(請求項2)。
この場合には、上述した本発明の効果をより有効に発揮することができる。
すなわち、接地電極は、燃焼室におけるより高温となる位置に配置される。そのため、特に接地電極に配設される貴金属チップは、結晶粒の粒成長が生じやすく、また、熱応力がかかりやすいという過酷な環境下にある。そこで、上記のような添加物を含有するRh基合金を、接地電極の貴金属チップに用いることにより、耐久性の大幅な向上を図ることができる。
(実施例1)
本発明の実施例にかかる内燃機関用のスパークプラグにつき、図1、図2を用いて説明する。
本例のスパークプラグ1は、互いの間に火花放電ギャップ11を設けた中心電極2と接地電極3とを有する。
中心電極2及び接地電極3には、それぞれ貴金属チップ21、31が接合されている。
貴金属チップ21、31は、Rh(ロジウム)に、Si(ケイ素)、In(インジウム)、Ce(セリウム)の少なくとも一種以上を添加してなるRh基合金からなる。ここで、Rh基合金における、Siの添加量は1重量%以下、InとCeとの合計の添加量は2重量%以下であり、残部がRh及び不可避的不純物である。
また、Siを添加する場合には、0.01重量%以上含有させ、InとCeとの少なくとも一方を添加する場合には、両者の合計として0.2重量%以上含有させる。
上記スパークプラグ1は、図1に示すごとく、絶縁碍子5と中心電極2と取付金具4と接地電極3とからなる。
上記絶縁碍子5は中心貫通孔51を有し、中心電極2は、絶縁碍子5の先端から突出する状態で中心貫通孔51に保持されている。また、取付金具4は、その内側に絶縁碍子5を保持すると共に、その外周に、内燃機関の排気系等にスパークプラグ1を取り付けるための取付け用ネジ部42が形成されている。接地電極3は、取付金具4に固定されると共に中心電極2との間に火花放電ギャップ11を形成する。
上記中心電極2は、中心電極母材20の先端面に貴金属チップ21を溶接してなる。一方、上記接地電極2は、接地電極母材30における中心電極2との対向面に貴金属チップ31を溶接してなる。また、貴金属チップ21、31は、それぞれ略円柱形を有している。中心電極2の貴金属チップ21の直径は0.3〜1.5mm、軸方向長さは0.2〜1.2mmである。接地電極3の貴金属チップ31の直径は0.3〜1.5mm、軸方向長さは0.2〜1.2mmである。
また、中心電極母材20及び接地電極母材30はNi(ニッケル)合金からなる。
次に、本例の作用効果につき説明する。
上記スパークプラグ1においては、中心電極2と接地電極3とに、Rhを主成分とした貴金属チップ21、31を接合してなる。Rhは高融点であると共に酸化揮発し難いため、貴金属チップ21、31の耐火花消耗性と耐酸化揮発性との双方を向上させることができる。
また、貴金属チップ21、31は、主成分のRhに、Si、In、Ceの少なくとも一種以上を添加してなる。これにより、貴金属チップ21、31を、粒界強度の高い素材とすることができる。そのため、熱応力に対する強度を向上させ、耐久性に優れた貴金属チップ21、31を得ることができ、長寿命のスパークプラグ1を得ることができる。
すなわち、主成分のRhに、Si、In、Ceの少なくとも一種以上を含有させることにより、高温下におけるRhの結晶粒の成長を抑制して、Rh結晶粒の粗大化を防ぐことができる(後述する実施例6、図5〜図8参照)。これにより、貴金属チップ21、31の粒界割れを抑制し、耐久性の高い貴金属チップ21、31を得ることができる。
以上のごとく、本例によれば、耐火花消耗性及び耐酸化性に優れた長寿命の内燃機関用のスパークプラグを提供することができる。
(実施例2)
本例は、中心電極2の貴金属チップ21が、主成分のRhに、Si、In、Ceの少なくとも一種以上を添加してなるRh基合金からなり、接地電極3の貴金属チップ31がPt(白金)を主成分とした合金からなる例である。貴金属チップ31におけるPtの含有量は50重量%以上である。
その他は、実施例1と同様である。
本例の場合には、特に中心電極2の貴金属チップ21の耐火花消耗性及び耐酸化性、並びに強度を向上させることができる。また、接地電極3の貴金属チップ31がPtを主成分としているため、接地電極3の貴金属チップ31の耐酸化性を特に確保することができる。特に接地電極3の貴金属チップ31は高温となりやすいため、Ptを主成分として接地電極3の貴金属チップ31の耐酸化性を確保することは有効である。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
(実施例3)
本例は、接地電極3の貴金属チップ31が、主成分のRhに、Si、In、Ceの少なくとも一種以上を添加してなるRh基合金からなり、中心電極2の貴金属チップ21がIr又はPtを主成分とした合金からなる例である。貴金属チップ21におけるIr又はPtの含有量は50重量%以上である。
その他は、実施例1と同様である。
本例の場合には、特に接地電極3の貴金属チップ31の耐火花消耗性及び耐酸化性、並びに強度を向上させることができる。
接地電極3の貴金属チップ31は、燃焼室におけるより高温となる位置に配置される。そのため、特に接地電極3に配設される貴金属チップ31は、結晶粒の粒成長が生じやすく、また、熱応力がかかりやすいという過酷な環境下にある。そこで、上記のような添加物を含有するRh基合金を、接地電極3の貴金属チップ31に用いることにより、耐久性の大幅な向上を図ることができる。
また、中心電極2の貴金属チップ21がIrを主成分としている場合には、貴金属チップ21の耐火花消耗性を特に確保することができる。そして、中心電極2の貴金属チップ21がPtを主成分としている場合には、貴金属チップ21の耐酸化性を特に確保することができる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
(実施例4)
本例は、図3に示すごとく、接地電極母材30に貴金属チップ31を埋め込んだ例である。
すなわち、Niからなる接地電極母材30における中心電極2との対向面に、貴金属チップ31を埋め込むことにより、接地電極3を構成してある。貴金属チップ31を埋め込む方法としては、例えば抵抗溶接法により接合界面を発熱させる方法がある。
そして、中心電極2の貴金属チップ21及び接地電極3の貴金属チップ31は、Rhを主成分とすると共に、Si、In、Ceの少なくとも一種以上を添加してなるRh基合金からなる。
その他は、実施例1と同様である。
本例の場合にも、実施例1と同様の作用効果を有する。
なお、本例のように接地電極3の貴金属チップ31を接地電極母材30に埋め込む構成においても、上記実施例2又は3のように、中心電極2の貴金属チップ21と接地電極3の貴金属チップ31とのいずれか一方を、上記のRh合金とすることができる。
(実施例5)
本例は、図4に示すごとく、Niを主成分とする接地電極母材30のみによって接地電極3を構成した例である。
すなわち、接地電極3は、中心電極2との対向面も、貴金属チップを搭載することなく、Niを主成分とした接地電極母材30によって構成してなる。
一方、中心電極2は、接地電極3との対向面に貴金属チップ21を配設してなる。そして、貴金属チップ21は、Rhを主成分とすると共に、Si、In、Ceの少なくとも一種以上を添加してなるRh基合金からなる。
その他は、実施例1と同様である。
本例の場合にも、実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
(実施例6)
本例は、表1に示すごとく、貴金属チップを構成するRh合金の組成を種々変更して、各種Rh合金につき、耐酸化性、耐火花消耗性等を評価した例である。
まず、耐酸化性試験は、試料を大気中にて1200℃に20時間保持することにより行った。尚、評価試料はアーク溶解インゴットより5mm角の立方体を切り出したものを使用した。そして、試験の前後の試料の重量変化を測定して酸化増量を求め、耐酸化性を評価した。
また、耐酸化性試験の後の試料につき、その断面を金属顕微鏡によって観察した(図5〜図8参照)。そして、試料の断面に表れる結晶粒の大きさを評価した。すなわち、Rh合金におけるRhの結晶粒が、上記の高温雰囲気中において成長して粗大化したか、或いは粗大化が抑制されて微細な結晶組織を維持しているかを観察した。表1において、結晶粒の平均粒径が1000μmを超えるのものを「粗大」、平均粒径が1000μm以下のものを「微細」とした。
上記の二つの観測結果から、耐酸化性試験における評価を行った。
そして、重量変化(酸化増量)が±1.0%以内でありかつRh結晶粒が微細である場合を良品(○)とし、それ以外を不良品(×)とした。
また、耐火花消耗性試験は、以下の実機耐久試験により行った。
すなわち、スパークプラグ1における中心電極2の貴金属チップ21と接地電極3の貴金属チップ31とを同じ組成のRh合金とすると共に、その添加元素の種類と添加量を表1のように種々変更したものにつき、耐酸化性試験、耐火花消耗性試験を行い、各合金を評価した。貴金属チップ21、31の合金組成以外の構成については、上記実施例1と同様の構成のスパークプラグを用いた。
なお、貴金属チップ21、31の形状としては、いずれも直径0.5mm、高さ0.8mmの円柱形状とした。
そして、6気筒、総排気量2000ccのエンジンに、各スパークプラグを設置し、エンジンを毎分6000回転(スロットル全開)にて300時間運転した。そして、この耐久試験によって生じた火花放電ギャップの拡大量を測定した。ギャップ拡大量が0.2mm以下である場合を良品(○)とし、0.2mmを超える場合を不良品(×)とした。
また、加工性についての評価も行った。すなわち、各試料を上記の貴金属チップの形状に加工する際に、亀裂や割れが生じるか否かによって、加工性の評価を行った。そして、亀裂や割れの生じなかったものを良品(○)とし、亀裂や割れが生じたものを不良品(×)とした。
また、各合金の融点についても測定した。融点については、1900℃以上であれば耐消耗性を確保できると考えられる。
そして、総合評価として、耐酸化性と耐火花消耗性と加工性との全ての項目において良品(○)と判定されたもののみを、良品(○)と判定し、それ以外を不良品(×)とした。
測定結果、評価結果を表1に示す。
なお、表1において、「ND」と記した項目は、未測定或いは測定不能であることを示す。また、「添加元素」の欄において、元素記号の前に記載した数値が、その元素の添加量(重量%)である。
また、各試料において、添加元素の残部はRhと不可避的不純物である。
表1から分かるように、上記総合評価において良品と判断されるのは、本発明(請求項1)に該当する組成(Rhに、Si、In、Ceの少なくとも一種以上を添加してなり、Siの添加量が1重量%以下、InとCeとの合計の添加量が2重量%以下)であるもののみであった。
なお、上述した耐酸化性試験後の試料断面の金属顕微鏡写真の一部を、図5〜図8に示す。それぞれ、図5は添加物のないRh金属、図6はRhに1.0重量%のInを添加したもの、図7はRhに0.05重量%のSiを添加したもの、図8はRhに0.5重量%のCeを添加したものについての、試験後の断面写真である。
図6〜図8に見られるように、RhにIn、Si、又はCeを適量含有させてなるRh基合金からなる貴金属チップにおいては、耐久後においても、充分に小さい結晶粒が確認でき、結晶粒の粗大化が抑制されていることが分かる。これに対し、In、Si、Ceを含有していないRhからなる貴金属チップにおいては、図5に示すごとく、耐久後において、結晶粒が粗大化してしまった。
このように、RhにIn、Si、又はCeを適量含有させることにより、貴金属チップの結晶粒の粗大化を抑制することができ、貴金属チップの粒界割れが生じ難い、耐久性に優れた貴金属チップを得ることができる。
本例の結果から、本発明を採用することにより、耐火花消耗性及び耐酸化性に優れた長寿命の内燃機関用のスパークプラグを得ることができることが分かる。
実施例1における、内燃機関用のスパークプラグの一部断面説明図。 実施例1における、スパークプラグの火花放電ギャップ周辺の説明図。 実施例4における、スパークプラグの火花放電ギャップ周辺の説明図。 実施例5における、スパークプラグの火花放電ギャップ周辺の説明図。 実施例6における、添加物のないRh金属の耐酸化性試験後の断面写真。 実施例6における、Rhに1.0重量%のInを添加したものの耐酸化性試験後の断面写真。 実施例6における、Rhに0.05重量%のSiを添加したものの耐酸化性試験後の断面写真。 実施例6における、Rhに0.5重量%のCeを添加したものの耐酸化性試験後の断面写真。
符号の説明
1 スパークプラグ
11 火花放電ギャップ
2 中心電極
21 貴金属チップ
3 接地電極
31 貴金属チップ

Claims (2)

  1. 互いの間に火花放電ギャップを設けた中心電極と接地電極とを有する内燃機関用のスパークプラグにおいて、
    上記中心電極及び上記接地電極の少なくとも一方には、貴金属チップが接合されており、
    該貴金属チップは、Rhに、Si、In、Ceの少なくとも一種以上を添加してなるRh基合金からなると共に、Siの添加量は1重量%以下、InとCeとの合計の添加量は2重量%以下であることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
  2. 請求項1において、上記接地電極は、上記貴金属チップを接合してなることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
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