JP2014517474A - 防汚スパークプラグおよび製造方法 - Google Patents

Abstract

スパークプラグが提供される。スパークプラグは、中心軸孔と賦形先端部の外側表面とを有する絶縁スリーブを有する。コーティングが、賦形先端部の外側表面上に配置され、コーティングは、遷移金属化合物または遷移金属化合物の組合せ、およびアルカリ金属化合物を含む。中心電極が、絶縁スリーブの中心軸孔を通って延在する。金属スリーブが設けられ、絶縁スリーブは、金属シェル内に配置され、金属シェルに固定される。接地電極が、金属シェルに結合され、スパークギャップを画定するように、中心電極に対して間隔を開けた関係で配置される。
【選択図】図１

Description

[0001]関連出願の相互参照
本出願は、その内容の全体が本明細書に組み込まれる２０１１年５月２６日に出願した米国特許仮出願第６１／４９０，２１９号の利益を主張するものである。

[0002]一般に、スパークプラグは、中心電極が通って延在する中心軸孔を有する絶縁スリーブを含む。絶縁スリーブは、金属シェル内に配置され、金属シェルに固定され、金属シェルは、内燃機関に対する取り付けプラットフォームおよびインタフェースとして機能する。金属スリーブは、また、スパークギャップを生成するように中心電極に対して特定の間隔を空けた関係で配置される接地電極を支持する。絶縁スリーブは、金属シェルの凹形の端部内に存在する賦形先端部を含む。賦形先端部は、電極をエンジン熱および燃焼生成物から保護するように構成される。スパークプラグは、通常、エンジンシリンダヘッドに取り付けられ、関連するエンジンシリンダ内の燃料／空気混合気を点火するために選択的に活性化される。

[0003]時間が経つにつれて、燃焼生成物または燃焼堆積物が、中心電極および絶縁スリーブ、特に賦形先端部の周囲に蓄積する。この燃焼生成物の蓄積は、スパークギャップ間のスパーク形成を阻害する。燃焼生成物の著しい蓄積が、スパークプラグを汚染し、結果として点火不良を生じる可能性があり、すなわち、燃焼生成物は、燃焼生成物から形成される電気的短絡により、スパークが中心電極と接地電極との間に形成するのを完全に妨げる。燃焼堆積物の蓄積は、冷間始動時に特に問題となる。冷間始動時、空気／燃料混合気の完全燃焼は、ほとんど達成されず、これは、結果として、導電性燃焼堆積物の生成を増加させる。連続的な冷間始動の結果として、導電性燃焼堆積物が蓄積し、結果として、スパークプラグの中心電極と、電気的に接地された部分との間に電気的短絡を生じる。

[0004]従来、燃焼生成物の蓄積の問題に対処する試みは、絶縁スリーブ上のシリコーンオイルコーティングおよび粒子バナジウム酸化物堆積物を含んでいた。これらのコーティングでは、適切に問題に対処することができておらず、すなわち、高温時の不十分な性能、不十分な耐久性、または、燃焼堆積物の蓄積の不十分な低減に悩まされている。

[0005]したがって、絶縁スリーブ内の導電性燃焼堆積物の蓄積に対する影響されやすさを低減したスパークプラグが必要である。

[0006]本発明の一実施形態によれば、スパークプラグが提供される。スパークプラグは、中心軸孔と賦形先端部の外側表面とを有する絶縁スリーブを有する。コーティングが、賦形先端部の外側表面に配置され、コーティングは、遷移金属化合物または遷移金属化合物の組合せ、およびアルカリ金属化合物を含む。中心電極は、絶縁スリーブの中心軸孔を通って延在する。金属スリーブが設けられ、絶縁スリーブは、金属シェル内に配置され、金属シェルに固定される。接地電極が、金属シェルに結合され、スパークギャップを画定するように、中心電極に対して間隔を空けた関係で配置される。

[0007]本発明の別の実施形態によれば、スパークプラグの絶縁体にコーティングする方法が提供される。方法は、１つまたは複数の遷移金属化合物を含む第１のスラリー溶液を形成するステップを含み、１つまたは複数の遷移金属化合物は、スラリー溶液の総重量の７０重量パーセントまでを構成する。第１のスラリー溶液は、絶縁スリーブに塗布される。絶縁スリーブ上の第１のスラリー溶液を、第１の所定の時間、第１の所定の温度で空気乾燥することによって、第１のコーティングが形成される。第１のコーティングは、第３の所定の時間、第３の所定の温度で焼成される。

[0008]本発明のさらに別の実施形態では、スパークプラグの絶縁体にコーティングする別の方法が提供される。方法は、アルカリ金属化合物を含む第１のスラリー溶液を形成するステップを含み、アルカリ金属化合物は、スラリー溶液の総重量の最大７０重量パーセントまでである。第１のスラリー溶液は、絶縁スリーブに塗布される。絶縁スリーブ上の第１のスラリー溶液を、第１の所定の時間、第１の所定の温度で空気乾燥することによって、第１のコーティングが形成される。第１のコーティングは、第３の所定の時間、第３の所定の温度で焼成される。

[0009]部分的に断面図で示されたスパークプラグの側面図である。 [0010]例で説明したデータを示すグラフである。 [0010]例で説明したデータを示すグラフである。 [0010]例で説明したデータを示すグラフである。

[0011]本明細書に記載されるコーティングは、実質的に連続的なコーティングである。本明細書で定義される実質的に連続的なコーティングは、肉眼で見える破断または間隙をもたず、絶縁スリーブの外側表面の賦形先端部の一部を覆うコーティングを表す。コーティングの厚さは、単分子層から数マイクロメートルの厚さの範囲であってもよい。一実施形態では、単分子層は、５から１５マイクロメートルの厚さであってもよい。他の実施形態では、コーティングは、１〜１０マイクロメートルの厚さを有する。

[0012]好適な遷移金属化合物は、１つまたは複数の遷移金属を含む。例示的な遷移金属は、クロム、モリブデン、タングステン、ジルコニウム、鉄、鉛、バナジウム、ニオブ、タンタル、銅、銀、金、ニッケル、白金、およびパラジウムを含む。例示的な遷移金属は、前述の遷移金属の酸化物および炭酸塩を含む。取り扱いを簡単にするために、遷移金属化合物は、水溶性であることが望ましい。例示的な水溶性化合物は、硝酸銅、塩化銅、ヘプタモリブデン酸アンモニウム４水和物、塩化モリブデン、パラモリブデン酸カリウム、および２つ以上の前述の化合物の組合せを含む。

[0013]いくつかの実施形態では、コーティングは、早期遷移金属化合物および後期遷移金属化合物の組合せを含んでもよい。例示的な早期遷移金属は、クロム、モリブデン、タングステン、バナジウム、ニオブ、およびタンタルを含む。例示的な後期遷移金属は、銅、銀、金、ニッケル、白金、およびパラジウムを含む。例示的な組合せは、モリブデン化合物および銅化合物を含む。

[0014]アルカリ金属化合物は、リチウム、ナトリウム、カリウム、セシウム、または、２つ以上の前述のアルカリ金属の組合せを含んでもよい。取り扱いを簡単にするために、アルカリ金属化合物は、水溶性であることが望ましい。例示的な水溶性アルカリ金属化合物は、塩化カリウム、炭酸カリウム、重炭酸カリウム、硝酸カリウム、水酸化カリウム、および２つ以上の前述の化合物の組合せを含む。

[0015]遷移金属化合物のアルカリ金属化合物に対するモル比（遷移金属／アルカリ金属）は、１：１から１６：１であってもよい。コーティングが、後期遷移金属化合物および早期遷移金属化合物を含む場合、後期遷移金属化合物と、早期遷移金属化合物と、アルカリ金属化合物とのモル比は、１：０．５：１から１：７：１であってもよい。

[0016]驚くべきことに、上述したコーティングは、本明細書に記載の厚さでは、スパークプラグの動作を妨害するほど十分には導電性でないことがわかっている。理論に束縛されることなく、コーティングは、冷間始動時またはその後の動作中のどちらでも、燃焼を促進するための触媒として機能することができ、したがって、表面上の燃焼堆積物の蓄積を低減または除去することが推測される。あるいは、コーティングは、その後、絶縁スリーブと燃焼生成物との界面での燃焼時に供給することができる酸素を吸収することができ、したがって、より完全な燃焼を促進する。

[0017]コーティングは、遷移金属化合物または遷移金属化合物の組合せを含むスラリーまたは溶液を形成することによって、絶縁スリーブ上に形成される。溶液は、さらに、アルカリ金属化合物を含んでもよい。スラリーまたは溶液は、塗装、浸漬コーティング、スプレーコーティング等のような任意の適切な方法によって、絶縁スリーブに塗布される。いくつかの実施形態では、スラリーは、水性スラリーである。いくつかの実施形態では、溶液は、水溶液である。スラリーまたは溶液は、スラリーまたは溶液の総重量を基準にして、７０重量パーセントまでの遷移金属化合物または遷移金属化合物の組合せを含んでもよい。この範囲内で、スラリーまたは溶液中の遷移金属化合物（複数可）の量は、０．１から１０重量パーセント、または、より具体的には、０．１から５重量パーセントであってもよい。スラリーは、溶液より高い重量パーセントで使用されてもよい。溶液は、濃縮されすぎると、可溶性の問題を生じる可能性がある。スラリーまたは溶液は、スラリーまたは溶液の総重量を基準にして、７０重量パーセントまでのアルカリ金属化合物を含んでもよい。この範囲内で、スラリーまたは溶液中のアルカリ金属化合物の量は、０から１０重量パーセント、または、より具体的には、０．２５から７．５重量パーセントであってもよい。別の実施形態では、スラリーまたは溶液中のアルカリ金属化合物は、０．５から５重量パーセントであってもよい。

[0018]塗布されたスラリーまたは溶液は、コーティングされた絶縁スリーブを形成するために、室温で空気乾燥される。コーティングされた絶縁スリーブは、次に、３０分から６０時間、７０から１５０℃のような高温で処理されてもよい。コーティングされた絶縁スリーブは、次に、３０分から数時間、４７５から９５０℃の温度で焼成される。この範囲内で、焼成時間は、３０分から１．５時間であってもよい。焼成後、表面に主にアルカリ金属化合物を有するコーティングを形成するために、アルカリ金属溶液またはスラリーが塗布され、乾燥および焼成が繰り返されてもよい。

[0019]アルカリ金属は、２段階のプロセスで別々に塗布されてもよい。このシナリオでは、遷移金属の混合物を含む第１のコーティングが、上述したように塗布され、焼成されてもよい。このようにしてコーティングされたスリーブは、次に、さらに、アルカリ金属溶液の第２のコーティングを施されてもよく、次に、最終的に上述したように焼成されてもよい。第１のコーティングは、遷移金属のみで構成されてもよく、または、アルカリ金属を含む混合物で構成されてもよい。２段階のプロセスは、効果的に、最終的なコーティングのアルカリ金属による表面の濃縮を結果として生じることができる。

[0020]例示的なスパークプラグが、図１に示されている。スパークプラグ１は、金属シェル２、接地電極３、中心電極５、絶縁スリーブ６、絶縁スリーブの賦形先端部６１、および絶縁スリーブ上に配置されたコーティング７を有する。コーティングの長手方向の範囲（中心電極から金属シェルまで）は、変化してもよい。重要なことには、コーティングは、少なくとも１つの位置で、絶縁スリーブの周囲を囲んで連続的なコーティングを形成すべきである。

[0021]本発明は、さらに、以下の非限定的な例によって説明される。
[0022]いくつかのコーティングが、以下の手順を使用して、導電性、および燃焼堆積物の蓄積／除去への影響について審査された。金属化合物の水溶液が、アルミナスライドの半分にコーティングされ、残りの一方は、対照として機能するように、コーティングされなかった。コーティング後、スライドは、空気乾燥され、６０分間、４７５〜９７５℃で焼成された。焼成温度は、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｋ混合物については約６２５〜６５０℃であり、ＣｕＯおよびＶ_２Ｏ_５についてはそれより高かった。抵抗率（電気抵抗）が、Ｆｌｕｋｅ１５０７Ｍｅｇｏｈｍｍｅｔｅｒを用いて測定された。より高い抵抗は、より低い導電率を意味する。候補は、次に、煤の焼き切り（導電性堆積物の除去）についてさらに評価された。ストリップ全体が、煤（燃焼生成物）でコーティングされ、管状炉内のバイコール管内に配置され、ｃｏｌｅ−ｐａｒｍｅｒデジタル温度コントローラが、温度を周囲温度から約６２５℃まで、８．５℃／分の加熱速度で調節するために使用された。観測が、２００、３００、４００、４５０、４７５、５００、５２５、５５０、５７５、６００、および６２５℃の達成時に行われた。煤の減量が、視覚的に評価され、記録された。結果が、図２、図３および図４に示されている。

[0023]図２は、個々の成分ならびに５酸化バナジウム（比較として）についての煤の低下曲線を示す。個々の成分は、対照を上回る改善を示したが、５酸化バナジウムと比較して程度に良好な結果のみを示す。

[0024]図３は、個々の成分、５酸化バナジウム（比較として）、銅化合物を含む２成分混合物、ならびに、銅化合物、モリブデン化合物およびカリウム化合物を含む３成分混合物についての煤の低下曲線を示す。３成分混合物は、５酸化バナジウムより低温で煤を除去し始め、５酸化バナジウムより低温で煤を完全に除去しながら、より速く煤を除去した。

[0025]図４は、個々の成分としてモリブデンおよびカリウム、５酸化バナジウム（比較として）、モリブデン化合物を含む２成分混合物、ならびに、銅化合物、モリブデン化合物、およびカリウム化合物を含む３成分混合物についての煤低下曲線を示す。３成分混合物は、最高の性能を示し、モリブデン／カリウムの組合せも、良好な性能を示す。

[0026]本発明を、好適な実施形態を参照して説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなしに、種々の変更が行われてもよく、等価物が、その要素の代わりに用いられてもよいことが、当業者には理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなしに、特定の状況および材料を本発明の教示に適合させるために、多くの修正が行われてもよい。したがって、本発明は、本発明を実行するために考えられる最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲に属するすべての実施形態を含むことになることが意図される。

[0027]本明細書で開示されたすべての範囲には、エンドポイントが含まれており、エンドポイントは、互いに組合せ可能である。
[0028]すべての引用された特許、特許出願、および他の参照文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。

[0029]本発明を記述する文脈（特に、以下の特許請求の範囲の文脈）での用語「１つの（「ａ」、「ａｎ」）」および「その（ｔｈｅ）」、ならびに類似の指示対象の使用は、本明細書で指示されるか、文脈と明らかに矛盾しない限り、単数形および複数形の両方を包含すると解釈されるべきである。さらに、本明細書中の用語「第１の」、「第２の」等は、どのような順序、数量、または重要度を示すものでもなく、むしろ、ある要素を別の要素と区別するために使用される。

Claims (20)

1. スパークプラグにおいて、
   中心軸孔と賦形先端部の外側表面とを有する絶縁スリーブであって、コーティングが、前記賦形先端部の前記外側表面上に配置され、前記コーティングは、遷移金属化合物または遷移金属化合物の組合せ、およびアルカリ金属化合物を含む、前記絶縁スリーブと、
   前記絶縁スリーブの前記中心軸孔を通って延在する中心電極と、
   金属スリーブであって、前記絶縁スリーブは、前記金属シェル内に配置され、前記金属シェルに固定されている、前記金属スリーブと、
   前記金属シェルに結合され、スパークギャップを画定するように、前記中心電極に対して間隔を開けた関係で配置された接地電極と
   を備える、スパークプラグ。
2. 請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記コーティングは、２０マイクロメートルまでの単分子層の厚さを有する、スパークプラグ。
3. 請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記遷移金属化合物は、クロム、鉄、ジルコニウム、鉛、モリブデン、タングステン、バナジウム、ニオブ、タンタル、銅、銀、金、ニッケル、白金、およびパラジウムで構成される群から選択された遷移金属を含む、スパークプラグ。
4. 請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記遷移金属化合物は、硝酸銅、塩化銅、酸化銅、炭酸銅、ヘプタモリブデン酸アンモニウム４水和物、塩化モリブデン、パラモリブデン酸カリウム、および２つ以上の前述の化合物の組合せで構成される群から選択される、スパークプラグ。
5. 請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記遷移金属化合物は、銅の水溶性化合物を含む、スパークプラグ。
6. 請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記遷移金属化合物は、モリブデンの水溶性化合物を含む、スパークプラグ。
7. 請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記アルカリ金属化合物は、リチウム、ナトリウム、カリウム、セシウム、および２つ以上の前述のアルカリ金属の組合せで構成される群から選択される、スパークプラグ。
8. 請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記遷移金属化合物の前記アルカリ金属化合物に対するモル比は、１：１から１６：１である、スパークプラグ。
9. 請求項１に記載のスパークプラグにおいて、前記コーティングは、モリブデン化合物、銅化合物、およびカリウム化合物を含む、スパークプラグ。
10. １つまたは複数の遷移金属化合物を含む第１のスラリー溶液を形成するステップであって、前記１つまたは複数の遷移金属は、前記スラリー溶液の総重量の最大７０重量パーセントまでを構成する、ステップと、
    前記第１のスラリー溶液を絶縁スリーブに塗布するステップと、
    前記絶縁スリーブ上の前記第１のスラリー溶液を、第１の所定の時間、第１の所定の温度で空気乾燥することによって、第１のコーティングを形成するステップと、
    前記第１のコーティングを、第３の所定の時間、第３の所定の温度で焼成するステップと
    を含む、方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、
    アルカリ金属化合物から第２のスラリー溶液を形成するステップであって、前記アルカリ金属化合物は、前記スラリー溶液の総重量の最大７０重量パーセントまでである、ステップと、
    前記第２のスラリー溶液を前記焼成されたコーティングに塗布するステップと
    をさらに含む、方法。
12. 請求項１１に記載の方法において、前記第１の所定の温度は、７０℃から１５０℃の間であり、前記第１の所定の時間は、３０分から６０時間の間である、方法。
13. 請求項１０に記載の方法において、前記第３の所定の時間は、３０分から１．５時間の間であり、前記第３の所定の温度は、４７５℃から９５０℃の間である、方法。
14. 請求項１０に記載の方法において、
    前記第１のスラリー溶液を、前記第１の焼成されたコーティングに塗布するステップと、
    第２のコーティングを形成するために、前記第１の焼成されたコーティング上の前記第１のスラリー溶液を乾燥するステップと、
    前記第２のコーティングを、第４の所定の時間、第４の所定の温度で焼成するステップと
    をさらに含む、方法。
15. 請求項１０に記載の方法において、前記第１のスラリー溶液は、水性スラリーである、方法。
16. 請求項１０に記載の方法において、前記第１のスラリー溶液は、水溶液である、方法。
17. 請求項１０に記載の方法において、前記１つまたは複数の遷移金属は、前記スラリー溶液の総重量の０．１から５重量パーセントを構成する、方法。
18. 請求項１１に記載の方法において、前記アルカリ金属化合物は、前記スラリー溶液の総重量の０．２５から７．５重量パーセントを構成する、方法。
19. アルカリ金属化合物を含む第１のスラリー溶液を形成するステップであって、前記アルカリ金属化合物は、前記スラリー溶液の総重量の最大７０重量パーセントまでである、ステップと、
    前記第１のスラリー溶液を絶縁スリーブに塗布するステップと、
    前記絶縁スリーブ上の前記第１のスラリー溶液を、第１の所定の時間、第１の所定の温度で空気乾燥することによって、第１のコーティングを形成するステップと、
    前記第１のコーティングを、第３の所定の時間、第３の所定の温度で焼成するステップと
    を含む方法。
20. 請求項１９に記載の方法において、
    前記第１のスラリーを前記第１のコーティングに塗布するステップと、
    前記第１のコーティングに塗布された前記第１のスラリー溶液を空気乾燥することによって、第２のコーティングを形成するステップと、
    前記第２のコーティングを焼成するステップと
    をさらに含む、方法。