JP2009533804A - スパークプラグ - Google Patents
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Abstract
焼結粉末金属から形成されたスパーク部を備えた中心電極を有するスパークプラグ、およびその製造方法。
Description
関連出願への相互参照
本出願は、２００６年４月７日に出願された米国仮出願第６０／７９０，２１６号の優先権を要求し、引用することによって本明細書に組み込むものとする。
本出願は、２００６年４月７日に出願された米国仮出願第６０／７９０，２１６号の優先権を要求し、引用することによって本明細書に組み込むものとする。
発明の背景技術
１．技術分野
本発明は、内燃機関で使用されるスパークプラグおよび他の点火装置、より詳細には、高性能中心電極または中心電極に取り付けられた高性能点火チップを有する点火装置を対象とする。
１．技術分野
本発明は、内燃機関で使用されるスパークプラグおよび他の点火装置、より詳細には、高性能中心電極または中心電極に取り付けられた高性能点火チップを有する点火装置を対象とする。
２．関連技術
スパークプラグは、工業的に公知であり、内燃機関で燃焼を開始するために長く使用されてきた。スパークプラグは、一般的に、内燃機関の燃焼室内に延在するとともに、スパークが、燃焼室内で空気と燃料との燃焼性混合物を点火することができる装置である。スパークプラグは、典型的には、エンジンのネジ部と、スパークプラグの発火部でエンジンのネジ部に取り付けられたフック形状の接地電極を係合する外部ネジを有する円筒状金属シェルを含む。金属シェル内に円筒状絶縁体が部分的に配置されるとともに、発火部に、および端部に向けて、金属シェルを越えて軸方向に延在している。発火部の反対の位置の、スパークプラグの端部の、円筒状絶縁体内に導電性端子が配置されている。発火部では、絶縁体内に中心電極が配置されるとともに、接地電極に向けて絶縁体から軸方向に突出しており、それによって、中心電極と接地電極との間にスパークプラグのギャップが規定されている。
スパークプラグは、工業的に公知であり、内燃機関で燃焼を開始するために長く使用されてきた。スパークプラグは、一般的に、内燃機関の燃焼室内に延在するとともに、スパークが、燃焼室内で空気と燃料との燃焼性混合物を点火することができる装置である。スパークプラグは、典型的には、エンジンのネジ部と、スパークプラグの発火部でエンジンのネジ部に取り付けられたフック形状の接地電極を係合する外部ネジを有する円筒状金属シェルを含む。金属シェル内に円筒状絶縁体が部分的に配置されるとともに、発火部に、および端部に向けて、金属シェルを越えて軸方向に延在している。発火部の反対の位置の、スパークプラグの端部の、円筒状絶縁体内に導電性端子が配置されている。発火部では、絶縁体内に中心電極が配置されるとともに、接地電極に向けて絶縁体から軸方向に突出しており、それによって、中心電極と接地電極との間にスパークプラグのギャップが規定されている。
スパークプラグは、エンジンシリンダ内でガスを点火する基本的機能を行い、その点火は、動力行程を生成する。より詳細には、スパークは、燃焼室またはシリンダ内で大気と燃料の混合物を点火して、高温燃焼を生成し、エンジンに動力を供給する。内燃機関の特性そのものにより、スパークプラグは、高温および様々な腐食燃焼ガスを含めて、エンジンシリンダ内に発生する多くの極限にさらされ、それは、従来、スパークプラグの寿命を低下していた。スパークプラグは、さらに、スパークプラグの寿命を低下する電気スパーク浸食を受ける。電極、特に、点火チップまたは点火チップの隣または隣接する材料が、スパークプラグの作動中に電気アークの高いアーク温度に起因する局部的気化により作動中に浸食する場合、電気スパーク浸食が生じる。スパークプラグの寿命は、一般的には、中心電極および接地電極が劣化することにより低下し、それによって、中心電極と接地電極の間のスパークの質が劣化する。スパークの質が劣化するなら、結果として生じる点火および燃焼も影響される可能性がある。
ニッケルおよびニッケル合金は、従来、非常に強い耐食性を有するが、それらは、電気スパーク浸食の影響を受けやすかった。電気スパーク浸食を低減するために、メーカーは、金属または金属合金を代用し、それらは、一般的には、プラチナ、イリジウムまたはそれらの合金などのスパーク浸食に対してより抵抗性がある。プラチナおよびイリジウムは一般的には高価であるので、使用する材料の量を最小限にして、スパーク部を提供するまたは点火チップを形成することが望ましい。したがって、プラチナまたはイリジウムまたはそれらの合金から形成されたスパーク部または点火チップは、典型的には、ニッケルま
たはニッケル合金中心電極に取り付けられて、スパークプラグで使用される希少材料の量を最小限にするとともに、スパークプラグの効率を最大限にする。
たはニッケル合金中心電極に取り付けられて、スパークプラグで使用される希少材料の量を最小限にするとともに、スパークプラグの効率を最大限にする。
高い圧縮エンジンを使用して、燃料経済性を改善すると、スパークプラグを通る電力の増加を必要とし、より高い圧縮環境において、中心電極と接地電極との間のギャップをスパークがジャンプする。この電力増加は、スパーク浸食に影響される材料中でスパーク浸食速度を増加させ、より多くのスパークプラグメーカーは、プラチナ、イリジウムまたはそれらの合金などのスパーク浸食に対して高い抵抗性のある材料を求めて、一般的に用いられているニッケルまたはニッケル合金材料から離れていっている。作動中に、電気パルスが定期的に４０，０００ボルト以内で発生し、時には、過剰の４０，０００ボルトがスパークプラグを通って中心電極に印加され、それによって、スパークが中心電極と接地電極との間のギャップをジャンプする。スパークプラグの作動電圧およびエネルギーの増加は、また、スパーク浸食の可能性を増加させ、したがって、スパークプラグの寿命を低下する。
プラチナ、イリジウム、または他の貴金属およびそれらの合金が、スパーク浸食に影響されない一方、長さ、幅、またはサイズがあまりに小さい部品を貴金属点火チップに用いるなら、スパークは、中心電極の基材と接地電極との間で希少な点火チップおよびアークをジャンプする可能性がある。基材は、典型的には、ニッケル合金であるので、それは、貴金属点火チップが減少するまで、基材または中心電極を浸食する可能性があるスパーク浸食に影響されやすい。スパークプラグのいかなる劣化も、スパークの質に影響し、スパーク部上のスパーク表面から始まらないが、その代り、中心電極上で起こり、貴金属点火チップのまわりを通るあらゆるスパークは、スパークの質を劣化させるであろう。スパークの質は、空気と燃料（つまり、燃焼効率、燃焼温度および燃焼生成物）の混合物の点火に影響し、このように、電力出力、燃料効率、エンジン性能、および空気と燃料の混合物の燃焼によって生成された排気が悪影響を及ぼされる可能性がある。自動車のための排気の規制、燃料価格の上昇、および現代の性能要求に対して重点を置くことを強めることにより、一貫したエンジン性能および排気品質に関して、高品質なスパークを維持することが望ましい。
スパークプラグの寿命、およびそれによる、スパーク浸食に対するスパークプラグの抵抗性も、エンジンおよび車両メーカーにとって重要である。メーカーは、１６０，０００ｋｍ、２４０，０００ｋｍおよび３００，０００ｋｍのサービス寿命などのスパークプラグのより長いサービス寿命をますます要求している。多くの従来のニッケルスパークプラグは、スパーク浸食および腐食により３０，０００〜６０，０００ｋｍのサービス寿命を有するに過ぎない。スパーク浸食に有効である１つの方法は、先端スパーク部を形成するインジウム、プラチナまたはそれらの合金などの貴金属材料の量または点火チップのサイズを著しく増加させることである。しかし、イリジウム、プラチナ、およびそれらの合金は、非常に高価であり、メーカーは絶えずコスト削減を要求するので、スパークプラグで使用されるイリジウム、プラチナまたはそれらの合金の量を最小限にすることが重要になる。したがって、プラチナまたはイリジウムまたはそれらの合金から形成されたスパーク部は、典型的には、ニッケルまたはニッケル合金中心電極に取り付けられ、サイズが最小限にされる。
イリジウムは、また、カルシウムおよび／または燐の存在下で腐食を受けると考えられ、それは、高温で促進される。エンジンメーカーは、磨耗を低減することを試みて、より多くの油が燃焼室内に流れこむことを可能にすることにより、燃料経済性を増加させるので、燃焼材料中にカルシウムおよび燐が増加するのが、比較的より最近の展開である。カルシウムおよび燐は、エンジンオイル、特に、油添加物中に主として存在する。エンジンシリンダ内の燃焼中の酸素の存在下でのカルシウムおよび燐は、イリジウムと反応して、
蒸発する揮発性化合物を形成し、スパーク部においてイリジウムの損失をもたらすと考えられている。より詳細には、燃焼および排気サイクル中のガス状のカルシウムが、スパークプラグのイリジウムスパーク部、特に、スパーク部の側面上に凝縮すると考えられる。溶融カルシウムはイリジウムを溶解し、イリジウムは燐の存在下で酸化の影響を受けやすいことが知られている。したがって、燐および酸素が、溶解されたカルシウムイリジウム混合物と反応した後に形成された化合物は、非常に揮発性があり、蒸発をしやすく、イリジウムスパーク部の損失をもたらす。スパーク部の部分損失を示すスパークプラグの図面を図１に示す。さらに、注目すべきは、イリジウムは、約８００〜１１００℃の温度範囲で、カルシウムおよび燐の存在なしで多少の酸化をうける可能性があり、カルシウムおよび燐の存在下で、上述の腐食プロセスは、６００℃の低い温度で発生し、それは、スパークプラグの例示的な作動範囲内である。もちろん、エンジンの圧縮が増加するので、スパークプラグの温度作動範囲は増加し、カルシウムおよび燐がなくても、イリジウムの酸化は、ますます問題になるであろう。
蒸発する揮発性化合物を形成し、スパーク部においてイリジウムの損失をもたらすと考えられている。より詳細には、燃焼および排気サイクル中のガス状のカルシウムが、スパークプラグのイリジウムスパーク部、特に、スパーク部の側面上に凝縮すると考えられる。溶融カルシウムはイリジウムを溶解し、イリジウムは燐の存在下で酸化の影響を受けやすいことが知られている。したがって、燐および酸素が、溶解されたカルシウムイリジウム混合物と反応した後に形成された化合物は、非常に揮発性があり、蒸発をしやすく、イリジウムスパーク部の損失をもたらす。スパーク部の部分損失を示すスパークプラグの図面を図１に示す。さらに、注目すべきは、イリジウムは、約８００〜１１００℃の温度範囲で、カルシウムおよび燐の存在なしで多少の酸化をうける可能性があり、カルシウムおよび燐の存在下で、上述の腐食プロセスは、６００℃の低い温度で発生し、それは、スパークプラグの例示的な作動範囲内である。もちろん、エンジンの圧縮が増加するので、スパークプラグの温度作動範囲は増加し、カルシウムおよび燐がなくても、イリジウムの酸化は、ますます問題になるであろう。
プラチナおよびプラチナ合金は、スパーク浸食の低下に非常に優れているが、それらは、また、腐食の影響を受けやすい可能性がある。更に、プラチナおよびプラチナ合金は、スパーク部として使用される場合、スパーク部上で様々な小塊または成長特徴を形成する可能性がある。これらの成長は、結局、時間とともにスパークを妨げ、またはスパークギャップまたはスパークプロフィールを変え、それによって、スパークプラグの性能を低下する可能性がある。更に、燃焼ガスによっては、プラチナスパーク部の腐食を引き起こす可能性があり、そのような腐食は、スパークプラグのギャップを変え、それによって、スパークプラグの性能を低下する可能性がある。スパークプラグの性能が低下すると、エンジンのミスファイアが引き起こされ、燃料経済性を低下させ、エンジン性能を低下する可能性がある。
スパークプラグのスパーク部は、典型的には、熱間圧延、熱線引き出し、または加熱成形金属板、ディスク、ワイヤーまたはロッドによって調製される。シートまたはディスクを使用する場合、微小スパーク部は、典型的にはパンチされ、または押圧され、次いで、研削、ダイヤモンド切断、放電加工またはホットヘッドによって格子状に製造される。ワイヤーまたはロッドを使用するなら、ワイヤーまたはロッドは、細長い形状に引き伸ばし、次いで、ある長さに切断またはせん断し、次いで、最終行使形状に研削、ダイヤモンド切断またはホットヘッドされる。これらの製造工程に関する１つの問題は、イリジウムおよびイリジウム合金などのこれらの材料または合金によっては、非常に固く、非常に脆く、高融点を有し、要求される形状に効率的に加工することが困難である可能性がある。例えば、プラチナをせん断することができる一方、イリジウムは、要求される形状にせん断することが非常に困難であり、したがって、典型的には、最終形状にダイヤモンドカットしなければならない。したがって、典型的には、スパークプラグのスパーク部、より詳細には、スパークプラグの中心電極への取り付けのためにスパーク部を形成するためにイリジウムを処理する場合、製造コストおよび処理コストは、たとえ材料が、一般的に、貴金属から形成されているので高価であるとしても、材料コストの何倍にもなる。
したがって、製造コストを低減し、カルシウムおよび燐腐食機構、酸化および硫化などの高い耐電気スパーク浸食および腐食機構のスパークプラグのスパーク部が必要である。
発明の概要
本発明は、焼結粉末金属から形成されたスパーク部を備えた中心電極を有するスパークプラグおよびその製造方法を対象とする。様々な所望の形状にスパーク部を形成することを含めて、イリジウムなどから中心電極のスパーク部を形成する場合の問題を克服するために、無駄な、または過剰な成形コストなしで、焼結粉末金属を使用して、中心電極の所
望のスパーク部を形成する方法が開発された。また、スパーク部が焼結粉末金属プロセスによって形成されることを可能にするイリジウム合金が開発された。イリジウム合金は、イリジウムを主に含み、銅またはニッケルが添加されている、または、より好ましくは銅およびニッケルの両方が添加されている。銅やニッケル、またはそれら両方の組み合わせを備えたイリジウムは、耐スパーク浸食性のほかに、カルシウムおよび燐からの耐浸食性、耐酸化性および耐硫化性を有し、さらに、スパーク部が粉末金属焼結法によって所望の合金から形成されることを可能とする。プラチナ、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、クロム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムなどの他の元素を使用して、スパーク部を形成してもよく、合金に添加して、スパーク部の所望の特性を変更または向上してもよい。
本発明は、焼結粉末金属から形成されたスパーク部を備えた中心電極を有するスパークプラグおよびその製造方法を対象とする。様々な所望の形状にスパーク部を形成することを含めて、イリジウムなどから中心電極のスパーク部を形成する場合の問題を克服するために、無駄な、または過剰な成形コストなしで、焼結粉末金属を使用して、中心電極の所
望のスパーク部を形成する方法が開発された。また、スパーク部が焼結粉末金属プロセスによって形成されることを可能にするイリジウム合金が開発された。イリジウム合金は、イリジウムを主に含み、銅またはニッケルが添加されている、または、より好ましくは銅およびニッケルの両方が添加されている。銅やニッケル、またはそれら両方の組み合わせを備えたイリジウムは、耐スパーク浸食性のほかに、カルシウムおよび燐からの耐浸食性、耐酸化性および耐硫化性を有し、さらに、スパーク部が粉末金属焼結法によって所望の合金から形成されることを可能とする。プラチナ、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、クロム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムなどの他の元素を使用して、スパーク部を形成してもよく、合金に添加して、スパーク部の所望の特性を変更または向上してもよい。
本発明の適用可能なさらなる範囲は、以下の詳細な説明、請求の範囲および図面から明らかとなるであろう。しかし、本発明の趣旨および範囲内での様々な変更および修正は当業者に明らかとなるので、詳細な説明および特定の実施例が本発明の好ましい実施の形態を示すとともに、例示のみによって付与されていることは当然である。
本発明は、以下に付与する詳細な説明、添付の請求の範囲、および添付の図面からより完全に理解されるであろう。
好ましい実施の形態の詳細な説明
図面に説明するように、本発明は、接地電極１２および中心電極２０を有するスパークプラグ１０（図２）を対象とする。中心電極２０は、中心電極２０に接合、溶接（３２）、または取り付けられたスパーク部３０を含む。接地電極に取り付けられたスパーク部は、図７において１４で説明され、接地電極と中心電極との間でスパークを向上することが可能である。スパーク部３０は、さらに、スパークが通る放出表面４０を含む。
図面に説明するように、本発明は、接地電極１２および中心電極２０を有するスパークプラグ１０（図２）を対象とする。中心電極２０は、中心電極２０に接合、溶接（３２）、または取り付けられたスパーク部３０を含む。接地電極に取り付けられたスパーク部は、図７において１４で説明され、接地電極と中心電極との間でスパークを向上することが可能である。スパーク部３０は、さらに、スパークが通る放出表面４０を含む。
スパーク部３０は、高い耐スパーク浸食性および腐食性である合金から形成されている。スパーク部は、また、典型的には、イリジウムスパーク部を腐食するカルシウムおよび燐浸食機構に対して高い抵抗性があるイリジウム合金から形成されることができる。このイリジウム合金は、ニッケル（Ｎｉ）および銅（Ｃｕ）を含み、スパーク部３０が、純粋なイリジウムまたは一般的なイリジウム合金で行うことができない、または行うことが困難な粉末金属焼結法によって形成されることを可能にする。ニッケルおよび銅をイリジウムに添加すると、耐カルシウム性および耐燐腐食性、および耐酸化性、スパーク浸食に対する耐久性、および十分な寿命を保持または向上しながら、粉末金属焼結法によってスパーク部の形成が可能になる。異なる実施の形態を、中心電極２０にスパーク部３０を取り付けた図３〜図６で説明することができ、図６においては、多重層スパーク部を含み、ここで、粉末金属点火チップを、まずニッケル合金などの基材に取り付け、次いで、中心電極２０に取り付ける。
イリジウム合金は、５０重量％〜９６重量％のイリジウム、０重量％〜３０重量％のニッケル、および０重量％〜２０重量％の銅から形成されている。イリジウム・ニッケル・銅合金が好ましい実施の形態であるが、イリジウム・ニッケルおよびイリジウム・銅合金を、スパーク浸食に対する十分な耐久性、および燃焼腐食、特に、カルシウム、燐、硫黄および酸素からの腐食に対して優れた抵抗性をさらに保持しながら、粉末金属焼結法によって形成することができると考えられることが分かった。合金は、さらに、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、鉄（Ｆｅ）およびアルミニウム（Ａｌ）からなる群から選択された元素を含み、合金の所望の特性を改良または向上する。
以下の元素または合金は、イリジウム、プラチナ、またはインジウムとプラチナの合金に添加された場合、十分な腐食保護、十分な耐久性、および十分な仕事関数をもたらすことが分かるまたは考えられる。イリジウム、プラチナ、またはそれらの合金は、以下の元素またはそれらの合金と共に使用される場合、スパーク部の少なくとも５０重量％を形成し、したがって、スパーク部の主要材料を形成する。これらの元素または合金は、（１）ニッケル、（２）銅、（３）ニッケルおよび銅、（４）ニッケルおよびクロム、（５）ニッケル、銅およびクロム、（６）銅およびクロム、（７）ニッケル、さらにパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素のうちの１つ、（８）銅、さらにパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素のうちの１つ、（９）ニッケル、銅、さらに、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素のうちの１つ、（１０）ニッケル、クロム、およびパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素、（１１）銅、クロム、およびパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素、（１２）ニッケル、銅、クロム、およびパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素、（１３）ニッケル、銅、タングステン、およびパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウム、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素、（１４）ニッケル、タングステン、およびパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウム、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素、（１５）銅、タングステン、およびパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウム、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素、（１６）ニッケル、クロム、タングステン、およびパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウム、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素、（１７）銅、クロム、タングステン、およびパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウム、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素、（１８）ニッケル、銅、クロム、ジルコニウム、およびパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、タングステン、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素、（１９）銅、クロム、ジルコニウム、およびパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、タングステン、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素、（２０）ニッケル、クロム、ジルコニウム、およびパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、タングステン、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素、（２１）銅、ジルコニウム、タングステン、およびパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素、（２２）ニッケル、ジルコニウム、タングステン、およびパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素、（２３）銅、ニッケル、ジルコニウム、タングステン、およびパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素、（２４）クロム、およびパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素、（２５）クロム、ジルコニウム、およびパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素
、（２６）クロム、ジルコニウム、タングステン、およびパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素、（２７）ニッケル、ロジウム、さらにパラジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素のうちの１つ、（２８）銅、ロジウム、さらにパラジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素のうちの１つ、（２９）ニッケル、銅、ロジウム、さらにパラジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素のうちの１つ、（３０）タングステンおよびニッケル、（３１）タングステンおよび銅、（３２）タングステンおよびバナジウム、を含む。もちろん、パラジウム、ルテニウム、タングステン、ロジウムおよびレニウム、またはそれらの合金は、上述の列記した元素を添加可能な主要材料として、イリジウムまたはプラチナ、またはそれらの合金の代わりに用いてもよい。
、（２６）クロム、ジルコニウム、タングステン、およびパラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素、（２７）ニッケル、ロジウム、さらにパラジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素のうちの１つ、（２８）銅、ロジウム、さらにパラジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素のうちの１つ、（２９）ニッケル、銅、ロジウム、さらにパラジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、金、オスミウム、鉄およびアルミニウムからなる群から選択された元素のうちの１つ、（３０）タングステンおよびニッケル、（３１）タングステンおよび銅、（３２）タングステンおよびバナジウム、を含む。もちろん、パラジウム、ルテニウム、タングステン、ロジウムおよびレニウム、またはそれらの合金は、上述の列記した元素を添加可能な主要材料として、イリジウムまたはプラチナ、またはそれらの合金の代わりに用いてもよい。
点火チップ３０は、少なくとも４０重量％、より好ましくは、少なくとも５０重量％のイリジウム、プラチナ、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、タングステン、またはそれらの組み合わせを含む。更に、点火チップ３０は、９９％未満、より詳細には約９８％未満、典型的には約９５％未満のイリジウム、プラチナ、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、タングステン、またはそれらの組み合わせを含む。発明者らは、約８０重量％〜９８重量％、より詳細には約８５重量％〜９８重量％、さらに詳細には約８８重量％〜９３重量％のインジウム、プラチナ、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、タングステン、またはそれらの組み合わせを有する点火チップが、所望の特性を備えた点火チップをもたらすことが分かった。
上述するように、点火チップは、ニッケル、銅、またはニッケルと銅とを含む。点火チップは、さらに、クロム、タングステン、バナジウムまたはジルコニウムからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含むことがより好ましい。少なくともイリジウムまたはプラチナに銅またはクロムを添加すると、ニッケルまたはイリジウムから単独で形成された点火チップと比較して、腐食保護の向上、耐スパーク浸食性の向上、およびスパークの向上などの点火チップのための実質的な望ましい特性を備えた合金がもたらされる。例示的な合金点火チップは、８８重量％〜９５重量％のイリジウムおよび２重量％〜１２重量％の銅；８８重量％〜９５重量％のイリジウムおよび５重量％〜１２重量％のニッケル；８５重量％〜９５重量％のイリジウム、２重量％〜６重量％の銅および５重量％〜１０重量％のニッケル；８５重量％〜９５重量％のイリジウム、３重量％〜１０重量％のニッケルおよび１重量％〜６重量％のクロム；８５重量％〜９５重量％のイリジウム、２重量％〜６重量％の銅および２重量％〜６重量％のクロム；８５重量％〜９５重量％のイリジウムおよび２重量％〜１０重量％のニッケル、２重量％〜６重量％の銅および１重量％〜６重量％のクロムを含む。ニッケル、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、プラチナ、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、金（Ａｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、鉄（Ｆｅ）およびアルミニウム（Ａｌ）などの他の元素を、上述のイリジウム・銅、イリジウム・ニッケル、イリジウム・ニッケル・銅、またはイリジウム・ニッケル・クロム、イリジウム・銅・クロム、イリジウム・ニッケル・銅・クロム、イリジウム・タングステン、イリジウム・タングステン・ニッケル、またはそれらの合金に添加して、腐食および酸化に対する保護を改善または向上する。上述の添加元素のうち、プラチナ、バナジウム、ジルコニウムおよびタングステン、またはそれらの組み合わせは、イリジウム・銅、イリジウム・ニッケル、イリジウム・銅・ニッケル、イリジウム・銅・クロム、イリジウム・ニッケル・クロムまたはイリジウム・ニッケル・銅・クロム合金点火チップに添加するのに特に有利である。特に、３重量％以下のバナジウム、３重量％のプラチナ、３重量％のジルコニウム、および７重量％のタングステン、またはいくつか組み合わせた１０重量
％以下を添加して、上述の例示的な実施の形態のための合金点火チップの望ましい特性を向上してもよい。しかし、イリジウム、プラチナ、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、タングステンまたはそれらの組み合わせの主要材料の少なくとも５０重量％を有するスパーク部のために、１５重量％以下のバナジウム、５０重量％のプラチナ（主要材料がプラチナでない場合）、１０重量％のジルコニウム、および５０重量％のタングステン、またはいくつか組み合わせてスパーク部の５０重量％以下を含んでいてもよい。
％以下を添加して、上述の例示的な実施の形態のための合金点火チップの望ましい特性を向上してもよい。しかし、イリジウム、プラチナ、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、タングステンまたはそれらの組み合わせの主要材料の少なくとも５０重量％を有するスパーク部のために、１５重量％以下のバナジウム、５０重量％のプラチナ（主要材料がプラチナでない場合）、１０重量％のジルコニウム、および５０重量％のタングステン、またはいくつか組み合わせてスパーク部の５０重量％以下を含んでいてもよい。
上述するように、点火チップ３０は、ニッケル、銅、またはニッケルと銅とを含んでいてもよい。電気スパーク浸食に対するニッケルの影響の受けやすさが、腐食に対するニッケルの利点を超える前に、５０重量％以下のニッケルを添加すると、望ましい特性を加えることが可能であることが分かった。点火チップ３０にニッケルを添加して、銅、クロム、バナジウム、ジルコニウムおよびタングステンからなる群から選択された元素を添加した、少なくとも５０重量％のイリジウムおよび０．５重量％〜５０重量％のニッケルを含む合金を形成すると、優れた耐摩耗性、寿命、および耐浸食性および耐腐食性がもたらされる。イリジウムに４重量％〜４０重量％の量でニッケルを添加すると、優れた耐浸食性および耐腐食性をもたらし、点火チップの寿命および耐摩耗性を向上させることがさらに分かった。上述のイリジウム・ニッケルスパーク部に点火する他のものとしてはプラチナである。
クロム、バナジウム、ジルコニウムおよびタングステンからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含むイリジウム・銅点火チップに、ニッケルを０．５重量％〜４０重量％の量で添加する場合、点火チップ３０を形成する合金は、寿命および耐摩耗性、さらに耐浸食性および耐腐食性を向上させた。より詳細には、少なくとも５０重量％のイリジウム、２０重量％以下のクロムを有し、残部の実質的な部分がニッケルである点火チップが、望ましい特性の優れたバランスをもたらすことが分かった。また、２０重量％以下の銅、少なくとも５０重量％のイリジウムを有し、残部の実質的な部分がニッケルである点火チップが、望ましい特性の優れたバランスをもたらすことがさらに分かった。望ましい特性の優れたバランスを備える他の合金は、少なくとも５０重量％のイリジウムと、４０重量％以下の銅、クロム、または銅とクロムとの組み合わせと、を含み、残部の実質的な部分は、ニッケルである。上述のすべての合金において、合金は、少なくとも、０．５重量％、より詳細には、少なくとも１重量％の銅、クロム、または銅とクロムとの組み合わせを含む。もちろん、合金は、プラチナ、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウムおよびタングステンを個々に、またはそれらを組み合わせて添加することによってさらに改善して、寿命を改善し、耐摩耗性を改善し、スパークプラグで使用する場合、純粋イリジウムまたは純粋ニッケル点火チップに起こる浸食および腐食を止めることが可能である。
特に、スパークプラグは、４０重量％〜９５重量％のイリジウム、４重量％〜４０重量％のニッケル、０重量％〜２０重量％の銅、および０重量％〜２０重量％のクロムを含み、前記銅またはクロムまたは０．５重量％〜４０重量％の銅とクロムとの組み合わせが、優れた耐摩耗性、寿命の向上、および優れた耐浸食性および耐腐食性をもたらすことが分かった。理由は分からないが、銅またはクロム、またはニッケルおよびイリジウムと銅およびクロムとの組み合わせを添加すると、所望の利点をもたらし、イリジウムのみまたはニッケルのみを含むスパークプラグ用点火チップと比較して、所望の特性を改善する。プラチナ、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、バナジウム、ジルコニウムおよびタングステンなどの他の元素を添加すると、さらに、合金特性の改善を促進することもできる。
イリジウム・ニッケル銅合金は、５０重量％〜９３重量％のイリジウム、０重量％〜３０重量％のニッケル、および０重量％〜２０重量％の銅を含むことができ、さらに、所望
の特性をもたらすことができる一方、約８８重量％〜９１重量％のイリジウム、６重量％〜７．５重量％のニッケル、２．５重量％〜４．５重量％の銅から形成された組成は、（１）スパーク浸食に対する良好な耐久性、（２）燐、酸素、硫黄およびカルシウム腐食に対する良好な抵抗性、および（３）粉末金属焼結法による容易な形成を含めて、所望の特性の最良の全体的な組み合わせをもたらすことが分かった。
の特性をもたらすことができる一方、約８８重量％〜９１重量％のイリジウム、６重量％〜７．５重量％のニッケル、２．５重量％〜４．５重量％の銅から形成された組成は、（１）スパーク浸食に対する良好な耐久性、（２）燐、酸素、硫黄およびカルシウム腐食に対する良好な抵抗性、および（３）粉末金属焼結法による容易な形成を含めて、所望の特性の最良の全体的な組み合わせをもたらすことが分かった。
スパークプラグおよび特にスパークプラグのスパーク部は、粉末金属焼結法によって形成され、合金の各元素の粉末金属を十分に混合し、次いで、高温・高圧でモールド内で粉末金属を焼結させることにより、格子状に形成されることが可能である。ニッケルまたは銅、またはそれらの組み合わせを添加すると、イリジウムまたは一般的なイリジウム合金で従来可能な場合より、低温・低圧での形成が可能となる。粉末金属焼結法は、粉末金属で多くの他の商品を製造するために一般的に使用されるものに類似する。従来、最終格子形状に粉末イリジウム金属を形成するのに必要な、極端な圧力および温度により、スパークプラグのスパーク部３０を製造するために、このプロセスを使用することは非実用的、または不可能であった。しかし、イリジウムに、ニッケルまたは銅、または、特に、ニッケルと銅との組み合わせを添加して、上述の所定の割合の範囲の合金を形成すると、容易な粉末金属焼結法を可能にし、研削、ダイヤモンド切断またはホットヘッドなどの格子形状にスパーク部３０を形成するさらなる工程の必要性がなくなる。更に、ニッケルまたは銅、またはニッケルおよび銅の両方を添加すると、特に、カルシウムおよび燐腐食に対する抵抗性の向上をもたらし、スパーク部が図１の図面のように見えることを防ぐ。更に、ニッケルまたは銅を添加すると、製造をより容易にする製造工程で破損されることからのスパーク部３０の脆性および影響の受けやすさが低減される。
先の検討は、本発明の例示的な実施の形態を開示するとともに説明する。当業者は、そのような検討および添付の図面から容易に認識するであろうし、以下の請求の範囲によって定義されるような本発明の真の趣旨および公正な範囲から逸脱することなく、様々な変更、修正および変形を行うことができることを主張する。
Claims (29)
- 中心電極および接地電極を有するスパークプラグであって、
前記中心電極および前記接地電極の少なくとも１つは、
粉末金属から形成され、少なくとも５０重量％のイリジウムを含み、銅、クロム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、オスミウム、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、ルテニウム、レニウム、ロジウム、パラジウムおよびプラチナからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含むスパーク部を含む、スパークプラグ。 - 前記スパーク部は、３０重量％未満のニッケルを含む、請求項１のスパークプラグ。
- 前記スパーク部は、３０重量％未満の銅を含む、請求項１のスパークプラグ。
- 前記スパーク部は、５０〜９６重量％のイリジウムを含む、請求項１のスパークプラグ。
- 前記スパーク部は、０〜３０重量％のニッケルおよび０〜３０重量％の銅を含む、請求項４のスパークプラグ。
- 前記スパーク部は、１〜１０重量％のニッケルおよび１〜１０重量％の銅を含む、請求項５のスパークプラグ。
- 前記スパーク部は、４〜８重量％のニッケルおよび１〜６重量％の銅を含む、請求項６のスパークプラグ。
- 前記スパーク部は、５〜８重量％のニッケルおよび２〜５重量％の銅を含む、請求項７のスパークプラグ。
- 前記スパーク部は、６〜７．５重量％のニッケルを含む、請求項８のスパークプラグ。
- 前記スパーク部は、２．５〜４．５重量％の銅を含む、請求項８のスパークプラグ。
- 前記スパーク部は、８０〜９６重量％のイリジウムを含む、請求項８のスパークプラグ。
- 前記スパーク部は、８５〜９６重量％のイリジウムを含む、請求項８のスパークプラグ。
- 前記スパーク部は、８８〜９１重量％のイリジウムを含む、請求項８のスパークプラグ。
- 前記スパーク部は、８８〜９１重量％のイリジウムを含む、請求項９のスパークプラグ。
- 前記スパーク部は、８８〜９１重量％のイリジウムを含む、請求項１０のスパークプラグ。
- 粉末金属焼結法によって形成された請求項１のスパークプラグ。
- 粉末金属焼結法によって形成された請求項８のスパークプラグ。
- 粉末金属焼結法によって形成された請求項９のスパークプラグ。
- 粉末金属焼結法によって形成された請求項１０のスパークプラグ。
- 中心電極および接地電極を有するスパークプラグであって、
前記中心電極および前記接地電極の少なくとも１つは、焼結粉末金属から形成されたスパーク部を含み、
前記粉末金属は、イリジウム、銅、クロム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、オスミウム、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、ルテニウム、レニウム、ロジウム、パラジウムおよびプラチナからからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む、スパークプラグ。 - 前記スパーク部は、インジウム、銅、クロム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、オスミウム、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、ルテニウム、レニウム、ロジウム、パラジウムおよびプラチナからなる群から選択された第２の元素を含み、
前記第２の元素は、イリジウム、銅、クロム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、オスミウム、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、ルテニウム、レニウム、ロジウム、パラジウムおよびプラチナからなる群から選択された前記少なくとも１つの元素と異なる、請求項２０のスパークプラグ。 - 前記スパーク部は、イリジウム、銅、クロム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、オスミウム、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、ルテニウム、レニウム、ロジウム、パラジウムおよびプラチナからなる群から選択された第３の元素を含み、
前記第１の元素は、前記第２の元素、およびイリジウム、銅、クロム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、オスミウム、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、ルテニウム、レニウム、ロジウム、パラジウムおよびプラチナからなる群から選択された前記少なくとも１つの元素と異なる、請求項２１のスパークプラグ。 - スパーク部は、焼結粉末金属から形成され、
前記粉末金属は、イリジウム、銅、クロム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、オスミウム、金、鉄、アルミニウム、ニッケル、ルテニウム、レニウム、ロジウム、パラジウム、およびプラチナからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含み、イリジウム、銅、クロム、ジルコニウム、タングステン、ニッケル、ルテニウム、レニウム、ロジウム、パラジウムおよびプラチナからなる群から選択され、イリジウム、銅、クロム、ジルコニウム、タングステン、ニッケル、ルテニウム、レニウム、ロジウム、パラジウムおよびプラチナからなる群から選択された第２の元素を含み、
前記第２の元素は、前記少なくとも１つの元素とは異なる、請求項２０のスパークプラグ。 - 前記少なくとも１つの元素は、プラチナ、イリジウムまたはタングステンであり、
前記少なくとも１つの元素は、スパーク部の大部分の重量を形成する、請求項２０のスパークプラグ。 - さらに、銅、クロムおよびニッケルからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む、請求項２４のスパークプラグ。
- 中心電極および接地電極を有するスパークプラグであって、
前記中心電極および前記接地電極の少なくとも１つは、焼結粉末金属から形成されたスパーク部を含み、
前記粉末金属は、少なくとも、５０％のイリジウム、プラチナ、タングステン、レニウム、ロジウム、パラジウム、約０％〜３０％のニッケル、０％〜２０％の銅、０％〜３０％のクロムを含み、
前記粉末金属は、ニッケル、銅およびクロムからなる群から選択された元素の少なくとも１重量％を含む、スパークプラグ。 - 前記粉末金属は、５０％〜９３％のイリジウム、０％〜３０％のニッケル、および０％〜２０％の銅を含む、請求項２６のスパークプラグ。
- 前記粉末金属は、約８８％〜９３％のイリジウム、６％〜７．５％のニッケル、２．５％〜４．５％の銅を含む、請求項２６のスパークプラグ。
- 前記粉末金属は、約６％〜７．５％のニッケルおよび２．５％〜４．５％の銅を含む、請求項２６のスパークプラグ。
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