JP2017538270A - 中心電極を有する点火プラグ - Google Patents

Abstract

【課題】碍子および中心電極をダウンサイジングによって発生した新たな要求に適合させる。【解決手段】ハウジング（２）と、ハウジング（２）内に配置された碍子（３）と、碍子（３）内に配置された中心電極（１０）と、ハウジング（２）に配置された接地電極（５）とを有する点火プラグ（１）であって、接地電極（５）と中心電極（１０）とは互いに、接地電極（５）と中心電極（１０）とが火花ギャップを形成するように配置されており、中心電極（１０）は電極ヘッド（４）で以って、碍子（３）の内側に構成された座部（３ａ）上に載っており、中心電極（１０）が、電極ベース体（１１）と電極ベース体（１１）内に配置されたコア（１２）とを有しており、コア（１２）は、電極ベース体（１１）の材料よりも高い熱伝導率を有する材料より成っており、電極ベース体（１１）が、１．７ｍｍより大きくない直径（ｄＥ）を有している。【選択図】 図３

Description

本発明は独立請求項の上位概念部に記載した点火プラグに関する。

エンジンルーム内の燃焼室が次第に縮小されることに基づいて、例えば点火プラグ等の個別の構成要素のためにエンジンルーム内に僅かなスペースしか提供されず、エンジンルーム内の構成要素は縮小されなければならない。構成要素のいわゆるダウンサイジングの傾向によって、構成要素および点火プラグの構造において新たな課題が発生する。

点火プラグおよびその構成要素のダウンサイジングによって、点火プラグおよびその個別の構成要素における熱的、電気的および機械的な負荷が上昇する。それと同時に、点火プラグは、ダウンサイジングされていない従来の点火プラグと同様の良好な点火信頼性および長い耐用年数を有していなければならない。

碍子および中心電極をダウンサイジングによって発生した新たな要求に適合させることが課題である。碍子は、セラミックの性質に基づいて、金属の構成要素と比較して、機械的および電気的な負荷に関連して、点火プラグ内の繊細な構成要素である。

本出願人の研究によれば、ハウジングと、このハウジング内に配置された碍子と、この碍子内に配置された中心電極と、ハウジングに配置された接地電極とを有する点火プラグにおいて、接地電極および中心電極は互いに、接地電極と中心電極とが火花ギャップを形成するように配置されており、中心電極は電極ヘッドで以って、碍子の内側に構成された座部上に載っており、中心電極が、電極ベース体とこの電極ベース体内に配置されたコアとを有しており、コアは、電極ベース体の材料よりも高い熱伝導率を有する材料より成っていて、碍子の機械的および電気的な形状安定性を保証するために、最小壁厚を下回ってはならない、ことが分かった。一方では碍子の形状安定性および熱伝導率と、他方では点火プラグ全体の熱伝導率並びに点火プラグの耐用年数との間の最適性を得ることが必要である。

本発明の課題は、冒頭に述べた要求を満たすことができる点火プラグを提供することである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載した本発明の点火プラグによって解決される。

本発明によれば、中心電極が、コアを備えた電極ベース体として、電極ベース体の材料よりも高い熱伝導率を有する材料から構成され、電極ベース体が１．７ｍｍより大きくない直径を有していることによって、この中心電極を備えた点火プラグが前記要求を満たすことができる。碍子は十分な壁厚を有して構成することができ、それによって点火プラグは、運転時の熱的、機械的および電気的な負荷に耐えることができる。

中心電極若しくは電極ベース体は、様々な直径の領域を有していてよい。電極ベース体の直径のための前記限界は、それぞれ電極ヘッドを無視した電極ベース体の最大直径に関連している。電極ヘッドは、中心電極の、燃焼室とは反対側の端部に構成されている。点火プラグにおいて、電極ヘッドは、碍子の内側に構成された座部上に載っている。電極ヘッドは、碍子内側に構成された座部から、中心電極の燃焼室とは反対側の端部まで延在している。電極ベース体の横断面の幾何学形状が円形とは異なっている場合、直径は、電極ベース体の横断面の円形とは異なる幾何学形状の外接円に関係している。

好適な発展形態によれば、電極ベース体の直径は１．５ｍｍより大きくない。

別の好適な実施態様は従属請求項の対象である。

選択的にまたは追加的に、中止電極自体の形状安定性が損なわれることがないように、電極ベース体の直径は１ｍｍより小さくなくてもよい。好適な形式で、電極ベース体はこの最小直径を有しているべきであり、それによって、電極ベース体の横断面は中心電極に沿った十分な熱伝導性のために十分に大きく、したがって碍子はその燃焼室側の端部において燃焼室から吸収される熱以外に中心電極によって吸収される熱によってさらに追加的に負荷されることはない。理想的には、燃焼室によって吸収される、中心電極内の熱は、燃焼室からさらに離れた従ってより冷たい領域内に伝導される。

ハウジングおよび中心電極は様々な電位に晒される。碍子に形成された座部の領域内で中心電極およびハウジングは構造上の制限をうけて互いに最小の間隔を保っている。それにより碍子のこの領域は、電気的な絶縁破壊を非常に受けやすい。碍子におけるこのような電気的な絶縁破壊を阻止するために、碍子がその内側に形成された座部の領域内で２ｍｍより小さくない壁厚を有していれば好適であることが分かった。追加的にまたは選択的に、電極ヘッドを包囲する碍子の領域が２ｍｍより小さくない壁厚を有していてよい。これによって、碍子は、碍子に形成された座部の領域内で発生する高い電界およびそれに起因する電気的な絶縁破壊に耐えるために、十分に大きい壁厚を有することができる。

好適な形式で、電極ベース体のコアは、電極ベース体の材料よりも高い熱伝導率を有する材料より成っている。これによって、電極ベース体内の熱伝導は促進される。コアの材料は好適な形式で、室温において少なくとも３５０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有している。追加的にまたは選択的に、室温においてコアの材料の熱伝導率は、電極ベース体の材料の熱伝導率よりも少なくとも３００Ｗ／ｍＫだけ大きくてよい。

電極ベース体は例えばニッケル含有合金を有している。好適な形式で、合金は、少なくとも２０質量％のクロム、特に少なくとも２５質量％のクロムを含有している。選択的なニッケル合金において、この合金は選択的または追加的にイットリウムを含有している。コアは例えば銅または銀若しくは銅および／または銀を含有する合金より成っている。本本出願人の研究によれば、例えば電極ベース体内の銅を含有するコアは、燃焼室に面した電極ベース体の端部における温度を５０乃至８０Ｋだけ減少することが分かった。

さらに行われた本出願人の研究によれば、十分に良好な熱伝導つまり中心電極内の熱減少のために、コアの横断面が少なくとも第１の領域内における電極ベース体若しくは中心電極の横断面の２０％よりも小さくなく、この場合、少なくとも１つの第１の領域内で電極ベース体およびコアがそれぞれ一定の直径を有している、ことが分かった。電極ベース体の横断面は、コアの横断面と周壁の横断面とから構成されている。

好適な形式で、少なくとも１つの第１の領域は円筒形である。少なくとも１つの第１の領域は好適な形式で、この第１の領域内の電極ベース体の直径と同じかまたはこれよりも長い、中心電極の縦軸線に沿った長さを有しており、特に、少なくとも１つの第１の領域の長さは、電極ベース体の直径の少なくとも１．５倍の長さである。

追加的にまたは選択的に、コアの横断面は、電極ベース体若しくは中心電極の全横断面の最大６５％に相当するように構成されていてよい。これによって、中心電極が十分に大きい周壁厚さを有することが保証される。

好適な形式で、電極ベース体は、コアよりも耐摩耗性の高い材料より成っているので、好適な形式で、電極ベース体は、中心電極が例えば少なくとも５００００ｋｍである十分に長い耐用年数を有するようにするために、最小周壁厚さを有する必要がある。

電極ベース体が、０．１５ｍｍよりも小さくない最小周壁厚さ、特に０．２５ｍｍよりも小さくない最小周壁厚さを有していれば、好適であることが分かった。追加的にまたは選択的に、コアおよび電極ベース体の一定の直径を有する少なくとも１つの第１の領域内の周壁厚さが０．３５ｍｍよりも大きくない構成を有していてよい。

本発明の好適な発展形態によれば、中心電極はその燃焼室側の端面に、電極ベース体材料よりも高い耐摩耗性を有する、貴金属を含有する火炎面を有している。火炎面からコアまでの間隔ｂは、０．２ｍｍ乃至２ｍｍの範囲内の値を有している。

本発明の選択的な発展形態によれば、中心電極は火炎面を有していない。この場合、電極ベース体の燃焼室側の端面からコアの燃焼室側の端部までの間隔ｂは、中心電極の十分に長い耐用年数を保証するために、少なくとも０．６ｍｍの長さである。この間隔ｂは、好適な形式で、１ｍｍよりも小さくなく、特に３．５ｍｍより大きくない値を有している。

好適には、コアの横断面および電極ベース体の横断面は同じ幾何学形状を有しており、この場合、特にコアは、横断面平面内で電極ベース体の中央に配置されている。これによって、電極ベース体は横断面平面内で均一な周壁厚さを有することが可能になる。

ハウジングの減少された外径を有する点火プラグは、この出願の意図によれば、点火プラグはそのねじ山が１４ｍｍよりも小さい外径を有しており、例えばいわゆるＭ１２点火プラグまたはＭ１０点火プラグである。

中心電極のための２つの例を示す図である。 中心電極の断面図である。 中心電極を備えた本発明による点火プラグを示す図である。

図１は、中心電極１０の２つの実施例のための概略図を示す。中心電極１０は、電極ベース体１１と、この電極ベース体１２の内側に配置されたコア１２とを有している。コア１１は、電極ベース体１１の材料よりも高い熱伝導率を有する材料より成っている。典型的には、電極ベース体１１の材料はコア１２の材料よりも高い耐摩耗性を有している。コア１２は、銅、銀、若しくは銅および／または銀を含有する合金より成っている。電極ベース体１１のための材料として、好適にはＮｉ合金が使用され、この場合、合金にクロムおよび／またはイットリウムが含有されていてよい。

製造方法、ここでは押し出し成形法に基づいて、ここでは断面して示された中心電極１０のコアが少なくとも１つの第１のセクション１５ａを有しており、この第１のセクション１５ａ内でコア１２は比較的一定な直径ｄ_ｋを有している。「比較的一定」とは、この明細書では、セクション内で値が最大５％変化する直径ｄ_ｋのことを意味する。

第２のセクション１４ａ内でコア１２の直径ｄ_ｋは減少する。少なくとも１つの第１のセクション１５ａは、中心電極１０の、燃焼室とは反対側に配置されており、この場合、図示していない電極ヘッド４は、第１のセクション１５の、燃焼室とは反対側の端部に引き続いて構成されている。燃焼室に向かう方向で、第２のセクション１４ａは少なくとも１つの第１のセクション１５ａに続いている。基本的に、コア１２は、一定な直径ｄ_ｋを備えた複数の第１のセクション１５ａを有しており、この場合、個別の第１のセクション１５ａの直径ｄ_ｋは様々である。これは特に、中心電極１０若しくは電極ベース体１１それ自体が、様々な直径ｄ_Ｅを備えた複数の領域を有している場合である。コアの複数の第１のセクション１５ａが設けられている場合、燃焼室の最も近くに位置するセクションは、コア１２の連続的に減少する直径ｄ_ｋを備えた第２のセクション１４ａである。

図１に示された中心電極１０は電極ベース体１１より構成されていて、この電極ベース体１１は、その長さに沿って一定な直径ｄ_Ｅを有しており、従って、中心電極１０も一定の直径ｄ_Ｅを有している。電極ベース体１１においては、少なくとも３つの領域１３，１４，１５を区別することができる。第１の領域１５で、電極ベース体１１は、一定の直径ｄ_ｋを備えたコア１２を有している。第２の領域１４ａで、電極ベース体１１は連続的に減少する直径ｄ_ｋを備えたコア１２を有している。第３の領域１３で、電極ベース体１１はコアを有していない。

電極ベース体１１の周壁の厚さｃは、コア直径ｄ_ｋに対する電極ベース体直径ｄ_Ｅの差の半分から得られる。第１の領域１５内の電極ベース体１１が一定の直径ｄ_Ｅ１を有していれば、この第１の領域１５内の周壁厚さｃは一定である。好適には、この第１の領域１５内で電極ベース体１１の周壁厚さｃは、０．１５ｍｍよりも小さくなく、０．３５ｍｍよりも大きくなく、例えば周壁厚さｃは、０．２５ｍｍと同じかまたはこれより小さい。

第２の領域１４で、電極ベース体１１は一定の直径ｄ_Ｅ２を有しており、この場合、領域１４内の周壁厚さｃは、燃焼室に向かって次第に増大している。周壁厚さｃは領域１４内で少なくとも０．１５ｍｍの厚さである。

ここには示されていない選択的な実施例において、第２の領域１４内の電極ベース体１１の直径ｄ_Ｅ２は同様に減少している。この場合、周壁厚さｃのために、この周壁厚さｃが好適には０．１５ｍｍ乃至０．３５ｍｍの範囲内であることが妥当である。電極ベース体１１の直径ｄ_Ｅ２は、コア１２の直径ｄ_ｋと同じ割合で変化するようになっていてよい。これによって、第２の領域１４内の周壁厚さｃが一定に維持される、という利点が得られる。

電極ベース体１１の第３の領域１３内にはコアは存在しない、従って周壁厚さｃは電極ベース体１１の直径ｄ_Ｅ３の半分に相当する。第３の領域１３は好適な形式で一定の直径ｄ_Ｅ３を有しており、この直径ｄ_Ｅ３は、第３の領域１３への移行部における第２の領域１４の直径ｄ_Ｅ２に相当する。

電極ベース体１１の第３の領域１３は、コア１２の燃焼室側の端部１７から電極ベース体１１の燃焼室側の端面１６まで延在する長さｂを有している。この長さｂは、３．５ｍｍより大きくない。中心電極１０が貴金属を含有する火炎面１９を備えて構成されている場合、この長さｂは、図１ｂに示されているように、貴金属を含有する火炎面１９を備えていない場合よりも短く構成されていてよい。図１ａに示されているように、貴金属を含有する火炎面１９が省略されると、貴金属ベース体１２が中心電極１０の十分に長い耐用年数のために十分な材料を有するようにするために、長さｂは０．６ｍｍの最小長さを有していなければならない。貴金属を含有する火炎面１９を使用する場合、中心電極１０の十分に長い耐用年数のために少なくとも０．２ｍｍの長さｂで十分である。

図２は、中心電極１０の横断面のための一例を示す。中心電極１０および電極ベース体１１の直径ｄ_Ｅは、１．７ｍｍより小さい。中心電極１０若しくは電極ベース体１１の横断面の中央にコア１２の横断面が配置されている。電極ベース体１１の周壁の厚さｃは、コア直径ｄ_Ｋに対する電極ベース体直径ｄ_Ｅの差の半分から得られる。好適な形式で、電極ベース体１１およびコア１２の横断面は同じ幾何学的形状を有している。

図３は、本発明による中心電極１０を備えた点火プラグ１の概略図を示す。点火プラグ１は、シリンダヘッド内で点火プラグ１を取り付けるためのねじ山を備えた金属製のハウジング２を有している。さらに、ハウジングは６角形のセクション９を有しており、この６角形のセクション９に、シリンダヘッド内に点火プラグ１を取り付けるための工具が嵌合される。ハウジング２内に碍子３が配置されている。中心電極１０とターミナル７とは、碍子３内に配置されていて、抵抗素子６を介して電気的に接続されている。

碍子３の内側に座部（３ａ）が形成されており、この座部上に中心電極（１０）が中心電極ヘッド（４）で以って載っている。碍子（３）はその座部（３ａ）の領域内で２ｍｍよりも小さくない壁厚を有している。

中心電極１０は、標準的な形式で点火プラグ１の燃焼室側の端部で碍子３から突き出している。中心電極は、ベース体１０と、このベース体の燃焼室側の端部に配置された火炎面１９と有している。ベース体１０は、周壁１１によって包囲されたコア１２を有している。

ハウジング２の燃焼室側の端部に接地電極５が配置されている。接地電極５は中心電極１０と共に火花ギャップを形成する。接地電極５は、ルーフ形電極、サイド形電極またはＵ字形電極として構成されていてよい。

１ 点火プラグ
２ ハウジング
３ 碍子
３ａ 座部
４ 電極ヘッド
５ 接地電極
１０ 中心電極
１１ 電極ベース体
１２ コア
１５ 第１の領域
１６ 電極ベース体の燃焼室側の端部
１７ コアの燃焼室側の端部
ｂ 長さ
ｃ 電極ベース体１１の厚さ、周壁厚さ
ｄ_Ｅ 電極ベース体直径

Claims (10)

1. ハウジング（２）と、該ハウジング（２）内に配置された碍子（３）と、該碍子（３）内に配置された中心電極（１０）と、前記ハウジング（２）内に配置された接地電極（５）とを有する点火プラグ（１）であって、前記接地電極（５）と前記中心電極（１０）とは互いに、前記接地電極（５）と前記中心電極（１０）とが火花ギャップを形成するように配置されており、前記中心電極（１０）は電極ヘッド（４）で以って、前記碍子（３）の内側に構成された座部（３ａ）上に載っており、前記中心電極（１０）が、電極ベース体（１１）と該電極ベース体（１１）内に配置されたコア（１２）とを有しており、該コア（１２）は、前記電極ベース体（１１）の材料よりも高い熱伝導率を有する材料より成っている形式のものにおいて、
   前記電極ベース体（１１）が、１．７ｍｍより大きくない直径（ｄ_Ｅ）を有している
   ことを特徴とする点火プラグ（１）。
2. 前記碍子（３）が、該碍子（３）の内側に形成された前記座部（３ａ）の領域に２ｍｍより小さくない壁厚を有している
   ことを特徴とする請求項１記載の点火プラグ（１）。
3. 前記中心電極（１０）が、少なくとも１つの第１の領域（１５）を有しており、
   該第１の領域（１５）内で前記電極ベース体（１１）と前記コア（１２）とがそれぞれ一定の直径を有している
   ことを特徴とする請求項１または２記載の点火プラグ（１）。
4. 少なくとも１つの前記第１の領域（１５）内において、
   前記コア（１２）の横断面が前記電極（１０）の全横断面の少なくとも２０％に相当する
   ことを特徴とする請求項３記載の点火プラグ（１）。
5. 少なくとも１つの前記第１の領域（１５）内において、
   前記コア（１２）の横断面が、前記電極（１０）の全横断面の最大で６５％に相当する
   ことを特徴とする請求項３または４記載の点火プラグ（１）。
6. 前記電極ベース体（１１）が、特に少なくとも１つの前記第１の領域（１５）内で、少なくとも０．１５ｍｍ、特に最大０．３５ｍｍの周壁厚さｃを有している
   ことを特徴とする請求項３から５までのいずれか１項記載の点火プラグ（１）。
7. 前記電極ベース体（１１）の燃焼室側の端部（１６）において、
   前記電極ベース体（１１）の前記端部（１６）と、前記コア（１２）の燃焼室に面した端部（１７）との間の間隔ｂが、３．５ｍｍより大きくなく、０．２ｍｍより小さくない
   ことを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項記載の点火プラグ（１）。
8. 少なくとも１つの前記第１の領域（１５）が前記電極ベース体（１１）の直径よりも長い
   ことを特徴とする請求項３から７までのいずれか１項記載の点火プラグ（１）。
9. 前記コア（１２）の横断面と前記電極ベース体（１１）の横断面とが同じ形状を有している
   ことを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項記載の点火プラグ（１）。
10. 前記電極ベース体（１１）が、ニッケル含有合金を有しており、少なくとも２０質量％クロムの合金を有している
    ことを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項記載の点火プラグ（１）。

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