JP2013545257A - ファウリング防止点火プラグおよび製造方法 - Google Patents

Abstract

本明細書において開示するのは、中心軸方向穴と外側表面とを有する絶縁体スリーブと、その絶縁体スリーブの中心軸方向穴を挿通して延びる中心電極と、を含む点火プラグである。絶縁体スリーブは金属シェルの内部に配置されかつ固着されており、金属シェルは内燃機関への取付台部および境界部としての役割を果たす。金属スリーブはまた接地電極を支持し、その接地電極は、火花放電ギャップを形成するように、中心電極に対して空間をあけて配置される。絶縁体スリーブは、金属シェルの凹状端部内に存在する、成形された先端部を含む。絶縁体スリーブの成形された先端部の外側表面の上にコーティングが施される。コーティングは、金属酸化物、貴金属、後周期遷移金属、またはこれら金属のうちの２以上の組合せを含む。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、２０１０年１２月６日に出願した米国仮特許出願第６１／４２０，０７２号の利益を主張するものである。

[0001]一般的に、点火プラグは、中心軸方向穴を有する絶縁体スリーブを含み、その穴の中を中心電極が挿通して延びている。絶縁体スリーブは金属シェルの内部に配置されかつ固着されており、金属シェルは内燃機関への取付台部および境界部としての役割を果たす。金属シェルはまた接地電極を支持し、その接地電極は、火花放電ギャップを形成するように、中心電極に対して空間をあけて配置されている。絶縁体スリーブは、金属シェルの凹状端部内に存在する、成形された先端部を含む。この成形された先端部は、電極をエンジンの熱および燃焼生成物から保護するよう構成されている。点火プラグは、典型的にはエンジンのシリンダヘッドに取り付けられ、選択的に活性化されて、関連するエンジンのシリンダ内の混合気に点火する。

[0002]時間とともに、燃焼生成物または燃焼デポジット（堆積物）が、中心電極、特に成形された先端部の周囲に付着する。このような燃焼生成物の付着は、火花放電ギャップをわたる火花の形成を妨げる。燃焼生成物の有意な付着は、点火プラグを汚し、点火の失敗という結果をもたらす可能性がある。即ち、燃焼生成物は、中心電極と接地電極との間で火花を形成することを完全に阻害する可能性がある。燃焼デポジットの付着は、コールドスタートの間に、特に問題となる。コールドスタートの間には、混合気の完全な燃焼が達成されることがまれであり、その結果、導電性の燃焼デポジットの生成が増大する。連続的なコールドスタートの結果、導電性の燃焼デポジットが付着し、中心電極と点火プラグの電気的接地部分との間で電気的短絡を起こしてしまう。

[0003]燃焼デポジットが付着する問題に取り組んできた従来の試みは、絶縁体スリーブ上のシリコーンオイルのコーティングと粒子状酸化バナジウムの被着とを含むものである。しかし、これらのコーティングでは、高い温度における不十分な性能、不十分な耐久性、または燃焼デポジットの付着低減が不十分であるなどの欠点があり、上述の問題に適切に対処できていない。

[0004]そのため、絶縁体スリーブ内での導電性燃焼デポジットの付着による影響を受けにくい点火プラグが求められている。

[0005]本明細書が開示するのは、中心軸方向穴と外側表面とを有する絶縁体スリーブと、その絶縁体スリーブの中心軸方向穴を挿通して延びる中心電極と、を含む点火プラグである。絶縁体スリーブは金属シェルの内部に配置されかつ固着されており、金属シェルは内燃機関への取付台部および境界部としての役割を果たす。金属スリーブはまた接地電極を支持し、その接地電極は、火花放電ギャップを形成するように、中心電極に対して空間をあけて配置されている。絶縁体スリーブは、金属シェルの凹状端部内に存在する、成形された先端部を含む。絶縁体スリーブの成形された先端部の外側表面の一部の上にコーティングが施される。コーティングは、金属酸化物、金属酸化物の組合せ、貴金属、後周期遷移金属、またはこれら金属のうちの２以上の組合せを含む。

[0006]さらに本明細書は、コーティングされた絶縁体スリーブの製造方法と、コーティングされた絶縁体スリーブを含む点火プラグも開示する。

[0007]点火プラグの一部断面側面図である。 [0008]小型エンジン点火プラグ試験の結果を示すグラフである。

[0009]本明細書で説明する金属酸化物を含むコーティングは、実質的に連続的なコーティングである。ここで定義する実質的に連続的なコーティングとは、裸眼で目視できる破断または間隙がなく、絶縁体スリーブの外側表面の成形された先端部の一部を覆っているコーティングのことである。コーティングの肉厚は、厚さ１〜２０マイクロメートル、より具体的には、厚さ５〜１５マイクロメートルであり得る。

[0010]適切な金属酸化物は、一酸化バリウム、酸化銅（ＩＩ）、酸化マンガン、五酸化バナジウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、三酸化モリブデン、酸化ビスマス、酸化タングステン、三酸化クロム、酸化鉄（ＩＩＩ）、酸化コバルト、酸化ニッケル（ＩＩ）、二酸化チタン（アナタース形）、酸化スズ、およびこれら金属酸化物のうちの２以上の組合せを含む。金属酸化物の例示的な組合せは、酸化セリウムと酸化バナジウム、酸化バナジウムと酸化ジルコニウム、酸化銅（ＩＩ）と酸化バナジウムの組合せを含む。

[0011]驚くべきことに、上述したような金属酸化物のコーティングは、本明細書で説明する厚さにおいては、点火プラグの作動と干渉するほどの導電性がないことがわかってきた。理論に拘束されず、金属酸化物のコーティングは、コールドスタートの間またはその後の作動の間のいずれかにおいて燃焼を促進させる触媒としての機能を果たし、その結果、燃焼デポジットの付着を低減させ、または除去する可能性があると推測される。あるいは、金属酸化物が酸素を吸収し、次に絶縁体スリーブと燃焼生成物との境界部における燃焼の間にその酸素を供給することで、より完全な燃焼を促進させている可能性がある。

[0012]適切な貴金属または後周期遷移金属は、白金、パラジウム、金、銀、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、およびそれらの組合せを含む。理論に拘束されず、貴金属または後周期遷移金属のコーティングは、コールドスタートの間またはその後の作動の間のいずれかにおいて燃焼を促進させる触媒としての機能を果たし、その結果、燃焼デポジットの付着を低減させ、または除去する可能性があると推測される。

[0013]コーティングは、金属酸化物、金属酸化物前駆体、貴金属またはそれらの組合せのスラリーまたは溶液を形成することによって、絶縁体スリーブの上に形成される。スラリーまたは溶液を絶縁体スリーブに対して塗布する方法としては、ペインティング、ディップコーティング、スプレーコーティング、および類似する方法などのような、いずれの適切な方法を用いても良い。いくつかの実施形態においては、スラリーは水性スラリーである。スラリーを形成するために使用される粒子は、１０〜１００ナノメートルの平均粒径を持ち得る。いくつかの実施形態においては、金属酸化物の粒子は、１２５マイクロメートル以下の最大粒径を持つ。スラリーまたは溶液は、スラリーの全重量に対して２５重量％までの粒子を含有できる。この範囲内で、スラリーまたは溶液内の粒子の量は、０．５〜１０重量％、または、より具体的には、２．５〜５重量％であり得る。

[0014]塗布されたスラリーまたは溶液は、室温にて風乾され、コーティングされた絶縁体スリーブが形成される。次に、コーティングされた絶縁体スリーブは、７０〜１５０℃のような昇温下で３０分間から６０時間の処理を受ける。次に、コーティングされた絶縁体スリーブは、７５０〜９５０℃の温度で３０分間から数時間、焼成される。この範囲内において、焼成時間は３０分間から１．５時間となり得る。その後、焼成済みのコーティングされた絶縁体スリーブは冷却され、点火プラグが組立てられる。

[0015]図１に例示的な点火プラグを示す。点火プラグ１は、金属シェル２と、接地電極３と、中心電極５と、絶縁体スリーブ６と、絶縁体スリーブの成形された先端部６１と、絶縁体スリーブ上に配置されたコーティング７と、を含む。コーティングの縦方向の広がり（中心電極から金属シェルまで）は変化し得る。重要な点は、コーティングが少なくとも一箇所において絶縁体スリーブの周囲を取囲む連続的なコーティングを形成しなければならないことである。

[0016]本発明は、後述する非限定的な実例を用いてより詳細に説明される。
[0017]複数の金属酸化物が、以下の手順を用いて、導電性と、絶縁体スリーブへの固着性と、燃焼デポジットの蓄積／除去への影響と、に関して検査された。金属酸化物の水性スラリーが、アルミナスライドの上にコーティングされて、風乾され、７７５℃の温度で６０分間焼成された。その後、コーティングされたスライドは、アルミナへの固着性と抵抗値について評価された。抵抗値はＦｌｕｋｅ１５０７絶縁抵抗計を使用して測定された。より高い抵抗値はより低い導電性を意味する。

[0018]酸化銅（ＩＩ）と酸化バナジウムは、絶縁体スリーブの上に以下の手順を用いて塗布された。
［酸化第二銅（ＣｕＯ）］
[0019]酸化銅［酸化第二銅，酸化銅（ＩＩ），一酸化銅］は、Ｎａｎｏｐｈａｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手された。この材料は、平均粒径３３ｎｍを持つ非常に微細に分割された乾燥粉末として供給された。表面積は約２９ｍ^２／ｇであった。

[0020]スラリーの全体重量に対して５重量％の酸化第二銅粉末を含む水性スラリーが調製され、材料の十分なぬれと分散とが得られるように、室温にて少なくとも１６時間、室温下撹拌された。

[0021]燃焼室に露出することになる点火プラグの裸の絶縁体の先端は、水性酸化第二銅スラリーの中で以下のようにしてディップコーティングされた。
１．酸化第二銅の処理を必要とする絶縁体の部分を、酸化第二銅スラリーの中に浸漬させた。

２．先端が酸化第二銅懸濁液で完全にぬれた後で、先端は、中程度の速度（約１秒）でその懸濁液から上方へと引き出された。
３．ぬれた先端は、次に、室温で気流下［毎分約３０．４８ｍ（１００フィート）（ＦＰＭ）の面速度］において４〜１６時間乾燥された。

４．風乾された先端は、次に、熱対流炉内で１２０℃で４〜１６時間加熱された。
５．コーティングされた先端は、次に、マッフル炉内で７７５〜９５０℃の温度まで１時間焼成された。

６．コーティングされた絶縁体は、次に、完全な点火プラグを構成するために使用された。
［五酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_５）］
[0022]五酸化バナジウム［酸化バナジウム（Ｖ），バナジン酸無水物，五酸化二バナジウム］は、Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ社から粉末として入手された。供給された粉末は、乳鉢と乳棒を用いた手ひき法によって、さらに粒径が低減された。推定される粒径は１２０メッシュ（１２５マイクロメーター）未満であった。

[0023]五酸化バナジウムの粉末を５重量％含有する水性スラリーが準備され、材料の十分なぬれと分散とが得られるように、室温にて少なくとも１６時間、室温下撹拌された。
[0024]燃焼室に露出することになる点火プラグの裸の絶縁体の先端は、水性酸化第二銅スラリーの中で以下のようにしてディップコーティングされた。

１．五酸化バナジウムの処理を必要とする絶縁体の部分を、五酸化バナジウムスラリーの中に浸漬させた。
２．先端が五酸化バナジウム懸濁液で完全にぬれた後で、先端は、中程度の速度（約１秒）でその懸濁液から上方へと引き出された。

３．ぬれた先端は、次に、室温で気流下［毎分約３０．４８ｍ（１００フィート）（ＦＰＭ）の面速度］において４〜１６時間乾燥された。
４．風乾された先端は、次に、熱対流炉内で１２０℃で４〜１６時間加熱された。

５．コーティングされた先端は、次に、マッフル炉内で７７５〜９５０℃の温度まで１時間焼成された。
６．コーティングされた絶縁体は、次に、完全な点火プラグを構成するために使用された。

[0025]酸化バナジウムおよび酸化銅（ＩＩ）によってコーティングされた点火プラグは、小型エンジン（Ｔｅｃｕｍｓｅｈ社の木材チッパーからの５馬力エンジン）において性能が試験された。試験は、屋外環境条件（摂氏温度−４〜３２℃（華氏温度２５〜９０＋°Ｆ）、湿度は非制御）を用いた野外試験領域において実行された。エンジンは十分に多燃料の状態で運転された。エンジンは１〜５分間運転し、ラン（運転期間）同士の間の冷却期間は略１５分間であった。毎回のランサイクルの後で、シャント抵抗が測定された。その結果を図２に示す。

[0026]本発明は好適な実施形態を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な変更が加えられても良く、また本発明の構成要素に代わって同等物が代用されても良いことは、当業者に理解できるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲を逸脱することなく、特定の状態または材料を本発明の教示に適応させるために、多様な修正を加えても良い。従って、本発明は、発明を実施するための形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付する特許請求の範囲の範囲内に入る全ての実施形態を含むことが意図される。

[0027]本明細書に開示された全ての範囲は終点を包括的に含むものであり、それら終点は相互に組合せ可能である。
[0028]引用された全ての特許、特許出願および他の参考文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

[0029]本発明を説明する文脈（特に以下の特許請求の範囲）の中で「１つ」（「ａ」および「ａｎ」）や「前記」（「ｔｈｅ」）という用語、および類似の指示語を使用することは、本明細書内で明示されるかまたは文脈から明確に否定されない限り、単数および複数の両方を含むと解釈されるべきである。さらに、本明細書内における「第１の」、「第２の」および同様の用語は、いかなる順序、量または重要性を示すものではなく、むしろ、１つの構成要素を他から区別するために使用されていることに留意すべきである。

Claims (13)

1. 中心軸方向穴および成形された先端部の外側表面を有する絶縁体スリーブであって、前記成形された先端部の前記外側表面の上にコーティングが施され、前記コーティングは金属酸化物、貴金属、後周期遷移金属、またはこれら金属のうちの２以上の組合せを含む、絶縁体スリーブと、
   前記絶縁体スリーブの前記中心軸方向穴を挿通して延びる中心電極と、
   金属スリーブであって、前記絶縁体スリーブが前記金属シェルの内部に配置されかつ固着されている金属スリーブと、
   前記金属シェルによって支持され、かつ火花放電ギャップを形成するように前記中心電極に対して空間をあけて配置されている接地電極と
   を備える点火プラグ。
2. 請求項１に記載の点火プラグであって、前記コーティングが１〜２０マイクロメートルの厚さを有する、点火プラグ。
3. 請求項１または２に記載の点火プラグであって、前記コーティングが、酸化バリウム、酸化銅（ＩＩ）、酸化マンガン、五酸化バナジウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウムおよび酸化セリウムからなる群から選択された金属酸化物を含む、点火プラグ。
4. 請求項１または２に記載の点火プラグであって、前記コーティングが、酸化セリウムと酸化バナジウム、酸化バナジウムと酸化ジルコニウム、および酸化銅（ＩＩ）と酸化バナジウムからなる群から選択された金属酸化物の組合せを含む、点火プラグ。
5. 請求項１または２に記載の点火プラグであって、前記コーティングが、白金、パラジウム、金、銀、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、およびそれらの組合せからなる群から選択された金属を含む、点火プラグ。
6. 請求項１または２に記載の点火プラグであって、前記コーティングが酸化バナジウムを含む、点火プラグ。
7. 請求項１または２に記載の点火プラグであって、前記コーティングが酸化銅（ＩＩ）を含む、点火プラグ。
8. 請求項１または２に記載の点火プラグであって、前記コーティングが酸化バナジウムからなる、点火プラグ。
9. コーティングされた絶縁体スリーブを形成する方法であって、
   絶縁体スリーブに金属酸化物スラリーを塗布して、スラリーで覆われたスリーブを形成するステップと、
   前記スラリーで覆われたスリーブを風乾して、風乾されたスリーブを形成するステップと、
   前記風乾されたスリーブを７０〜１５０℃の温度で加熱して、加熱されたスリーブを形成するステップと、
   前記加熱されたスリーブを７５０〜９５０℃の温度で焼成して、前記コーティングされた絶縁体スリーブを形成するステップと
   を含む方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、前記金属酸化物スラリーが１０〜１００ナノメートルの平均粒径を持つ粒子を含む、方法。
11. 請求項９に記載の方法であって、前記金属酸化物スラリーが１２５マイクロメートル以下の最大粒径を持つ粒子を含む、方法。
12. 請求項９から１１までのいずれか１項に記載の方法であって、前記スラリーが水性スラリーである、方法。
13. 請求項９から１２までのいずれか１項に記載の方法であって、前記スラリーは、前記スラリーの全重量に対して２５重量％までの前記金属酸化物を含有する、方法。

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