JP3672718B2

JP3672718B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP3672718B2
Application number: JP36854697A
Authority: JP
Inventors: 渉松谷
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1997-12-25
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2017-12-25
Also published as: JPH10321342A; DE69800238D1; EP0866530A1; DE69800238T2; EP0866530B1; US5998913A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関に使用されるスパークプラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車エンジン等の内燃機関用のスパークプラグとして、耐火花消耗性向上のために、電極の先端にＰｔ（白金）合金のチップを溶接して発火部を形成したものが使用されているが、白金は高価であり融点も１７６９℃程度であって耐火花消耗材料としては十分ではないため、チップ材料としてより安価で融点も２４５４℃程度と高いＩｒ（イリジウム）を使用する提案がなされている。ところが、発火部をＩｒで構成した場合、Ｉｒは９００〜１０００℃の高温域においては、揮発性の酸化物を生じて消耗しやすい性質を有しているため、そのまま電極発火部に使用すると、火花消耗よりも酸化揮発による消耗が問題となる欠点がある。従って、市街地走行のような温度の低い条件であれば耐久性はよいが、高速連続運転の場合には、耐久性が極端に低下してしまう問題がある。
【０００３】
そこで、チップを構成する合金に適当な元素を添加して、Ｉｒの酸化揮発による消耗を抑さえる試みがなされている。例えば、特開平９−７７３３号公報には、Ｒｈを添加することによりＩｒ成分の酸化揮発を抑さえ、チップの高温耐熱性と耐消耗性を改善したスパークプラグが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記公報に開示されたスパークプラグにおいてチップ材料として使用されているＩｒ−Ｒｈ合金は、内燃機関の高速・高負荷連続運転に耐えうるだけの酸化揮発による消耗を抑えるためには、Ｒｈの含有量をかなり多くしなければならない。しかしながら、ＲｈはＩｒと比べて数倍高価であり、しかも融点は１９７０℃程度とＩｒよりもかなり低いため、含有量を多くし過ぎるとチップの材料コストが高騰するばかりでなく、耐火花消耗性も十分ではなくなるという問題がある。すなわち、近年では、内燃機関の性能向上に伴いプラグの使用条件はますます厳しくなる傾向にあり、チップをＩｒ−Ｒｈ二元合金により構成した場合には、Ｒｈの含有量を相当に増やすと、運転条件によっては耐火花消耗性を必ずしも十分に確保できない場合がある。
【０００５】
なお、上記公報の実施例には、Ｉｒ−Ｒｈ二元合金をベースとして、これにＰｔ、Ｎｉといった第三金属成分を、Ｉｒを置換する形で添加した合金でチップを構成したときの、プラグの耐久性試験の結果が開示されている。しかしながら、該結果によれば耐久試験後のチップの消耗量は、ＰｔないしＮｉを添加しない合金を用いた場合よりも却って大きくなっており、Ｉｒ−Ｒｈ二元合金の耐消耗性を改善する結果にはなっていない。
【０００６】
本発明の第一の課題は、発火部の材料としてＩｒ−Ｒｈ系合金を使用しつつも、従来のＩｒ−Ｒｈ二元合金を使用したものと比較して、高温でのＩｒ成分の酸化・揮発による発火部の消耗が格段に起こりにくく、ひいては市街地走行においても、高速走行においても優れた耐久性を確保することができるスパークプラグを提供することにある。また、第二の課題は、上記第一の課題を解決しつつ、さらに、高価なＲｈの含有量を上記従来のスパークプラグよりも少なく抑さえることができ、より安価で耐久性を確保できるスパークプラグを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上述の課題を解決するために本発明のスパークプラグの第一の構成は、中心電極と、その中心電極の外側に設けられた絶縁体と、絶縁体の外側に設けられた主体金具と、中心電極と対向するように配置された接地電極と、それら中心電極と接地電極との少なくとも一方に固着されて火花放電ギャップを形成する発火部とを備え、その発火部が、Ｉｒを主体としてＲｈを０．１〜３５重量％の範囲で含有し、さらにＲｕ及びＲｅの少なくともいずれかを合計で０．１〜１７重量％の範囲で含有する合金により構成されることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のスパークプラグの第二の構成は、中心電極と、その中心電極の外側に設けられた絶縁体と、絶縁体の外側に設けられた主体金具と、中心電極と対向するように配置された接地電極と、それら中心電極と接地電極との少なくとも一方に固着されて火花放電ギャップを形成する発火部とを備え、その発火部が、Ｉｒを主体としてＲｈを０．１〜３５重量％の範囲で含有し、さらにＲｕを０．１〜１７重量％の範囲で含有する合金により構成されることを特徴とする。
【０００９】
本発明者は、火花放電ギャップを形成する発火部を、Ｉｒを主体として上記組成範囲のＲｈを含有し、さらにＲｕ及びＲｅの少なくともいずれかを上記組成範囲で含有する合金で構成することで、高温でのＩｒ成分の酸化揮発による消耗が、前記従来技術に開示されたＩｒ−Ｒｈ二元合金を使用した場合と比較してさらに効果的に抑制され、ひいてはより耐久性に優れたスパークプラグが実現されることを見い出したのである。
【００１０】
なお、上記発火部は、表記組成の金属からなるチップを、接地電極及び／又は中心電極に対し溶接により接合して形成することができる。この場合、本明細書でいう「発火部」とは、接合されたチップのうち、溶接による組成変動の影響を受けていない部分（例えば、溶接により接地電極ないし中心電極の材料と合金化した部分を除く残余の部分）を指すものとする。
【００１１】
上記合金中のＲｈの含有量が０．１重量％未満になるとＩｒの酸化・揮発の抑制効果が不十分となり、発火部が消耗しやすくなるためプラグの耐消耗性が確保できなくなる。一方、Ｒｈの含有量が３０重量％を超えると、ＲｅないしＲｕを含有する合金の融点が低下して耐火花消耗性が損なわれ、プラグの耐久性が同様に確保できなくなる。それ故、Ｒｈの含有量は上記範囲で調整される。
【００１２】
一方、ＲｕないしＲｅの合計含有量が０．１重量％未満になると、これら元素の添加によるＩｒの酸化揮発による消耗を抑制する効果が不十分となり、例えばＩｒ−Ｒｈ二元系合金を使用した場合に対する優位性が失われる。また、ＲｕないしＲｅの合計含有量が１７重量％を超えると、発火部が却って火花消耗しやすくなり、プラグの十分な耐久性が確保できなくなる。それ故、Ｒｕ及びＲｅの合計含有量は上記範囲で調整され、望ましくは０．１〜１３重量％、さらに望ましくは０．５〜１０重量％の範囲で調整するのがよい。
【００１３】
なお、Ｒｕ及びＲｅはいずれか一方のみを単独で添加してもよく（例えば本発明の第二の構成ではＲｕのみを添加する形となる）、両者を複合して添加してもいずれでもよい。
【００１４】
Ｒｕ及び／又はＲｅを合金に添加することにより発火部の耐消耗性が改善される原因の一つとして、例えばこれら成分の添加により、合金表面に高温で安定かつ緻密な酸化物皮膜が形成され、単体の酸化物では揮発性が非常に高かったＩｒが、該酸化物皮膜中に固定されることが推測される。そして、この酸化物皮膜が一種の不動態皮膜として作用し、Ｉｒ成分の酸化進行を抑制するものと考えられる。また、後述の実験データに示す通り、Ｒｈを添加しない状態では、Ｒｕ及び／又はＲｅを添加しても合金の高温での耐酸化揮発性はそれほど改善されないことから、上記酸化物皮膜はＩｒ−Ｍ−Ｒｈ系等の複合酸化物（ただしＭはＲｕ及びＲｅの１種又は２種以上。以下同じ）であり、これが緻密性ないし合金表面に対する密着性においてＩｒ−Ｍ系の酸化物皮膜より優れたものとなっていることも考えられる。
【００１５】
なお、Ｒｕ及び／又はＲｅの合計含有量が増え過ぎると、Ｉｒ酸化物の揮発よりはむしろ下記のような機構により火花消耗が進行するようになるものと推測される。すなわち、形成される酸化物皮膜の緻密性あるいは合金表面に対する密着力が低下し、該合計含有量が１７重量％を超えると特にその影響が顕著となる。そして、スパークプラグの火花放電の衝撃が繰返し加わると、形成されている酸化物皮膜が剥がれ落ちやすくなり、それによって新たな金属面が露出して火花消耗が進行しやすくなるものと考えられる。
【００１６】
また、Ｒｕ及び／又はＲｅの添加により、さらに次のような重要な効果を達成することができる。すなわち、Ｒｕ及び／又はＲｅを合金中に含有させることにより、Ｉｒ−Ｒｈ二元合金を使用する従来のスパークプラグと比較して、Ｒｈ含有量を大幅に削減しても耐消耗性を十分に確保でき、ひいては高性能のスパークプラグをより安価に構成できるようになる。そして、本発明のスパークプラグの第三の構成は、発火部の合金組成以外は第一の構成と同様であるが、発火部を構成する合金のＲｈの含有量が、第一の構成よりも少ない０．１〜３重量％の範囲で調整される。なお、ＲｕとＲｅとは、第一の構成と同様に、その少なくともいずれかが合計で０．１〜１７重量％の範囲で含有される。
【００１７】
すなわち、Ｉｒ−Ｒｈ二元合金を使用する前述の特開平９−７７３３号公報には、発火部たるチップに含有されるＲｈの量は、１〜６０重量％の範囲で調整され、望ましくは３〜３０重量％の範囲で調整される旨が開示されている。そして、その実施例にも示されているように、Ｉｒ−Ｒｈ二元合金の場合、Ｒｈの含有量が１重量％未満の組成においてはチップの耐消耗性が明らかに不足し、１〜３重量％の範囲においても必ずしも最上の耐消耗性は確保されていない。しかしながら、Ｒｕ及び／又はＲｅを添加することにより、従来、十分な耐消耗性の確保は困難とみなされていた上記組成範囲において、前記二元合金を使用した従来のスパークプラグに匹敵するか、又はそれ以上の耐消耗性を確保できるようになる。
【００１８】
なお、発火部の酸化消耗特性の評価方法としては各種考えられるが、本発明においては一つの目安として、該発火部を構成する合金により直径０．７mm、厚さ０．５mmの円板状の試験片を作製し、これを大気中にて１１００℃で３０時間保持した後の試験片の重量減少値（以下、酸化減量という）を採用するものとする。そして、発火部の合金の組成は、上記酸化減量が２０％以下となるように選定するのがよい。酸化減量が２０％を超えると、発火部の耐消耗性を確保できなくなる場合がある。なお、合金の組成は、上記酸化減量が、望ましくは１０％以下、さらに望ましくは５％以下となるように設定するのがよい。
【００１９】
また、上記発火部を構成する合金には、元素周期律表の３Ａ族（いわゆる希土類元素）及び４Ａ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）に属する金属元素の酸化物（複合酸化物を含む）を０．１〜１５重量％の範囲内で含有させることができる。これにより、Ｉｒ成分の酸化・揮発による消耗がさらに効果的に抑制される。上記酸化物の含有量が０．１重量％未満になると、当該酸化物添加によるＩｒの酸化・揮発防止効果が十分に得られなくなる。一方、酸化物の含有量が１５重量％を超えると、チップの耐熱衝撃性が低下し、例えばチップを電極に溶接等により固着する際に、ひびわれ等の不具合を生ずることがある。なお、上記酸化物としては、Ｙ₂Ｏ₃が好適に使用されるが、このほかにもＬａ₂Ｏ₃、ＴｈＯ₂、ＺｒＯ₂等を好ましく使用することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施の形態を図面を用いて説明する。
図１に示す本発明の一例たるスパークプラグ１００は、筒状の主体金具１、先端部２１が突出するようにその主体金具１の内側に嵌め込まれた絶縁体２、先端に形成された発火部３１を突出させた状態で絶縁体２の内側に設けられた中心電極３、及び主体金具１に一端が溶接等により結合されるとともに他端側が側方に曲げ返されて、その側面が中心電極３の先端部と対向するように配置された接地電極４等を備えている。また、図２に示すように、接地電極４には上記発火部３１に対向する発火部３２が形成されており、それら発火部３１と、対向する発火部３２との間の隙間が火花放電ギャップｇとされている。
【００２１】
絶縁体２は、例えばアルミナあるいは窒化アルミニウム等のセラミック焼結体により構成され、その内部には自身の軸方向に沿って中心電極３を嵌め込むための孔部６を有している。また、主体金具１は、低炭素鋼等の金属により円筒状に形成されており、スパークプラグ１００のハウジングを構成するとともに、その外周面には、プラグ１００を図示しないエンジンブロックに取り付けるためのねじ部７が形成されている。
【００２２】
次に、中心電極３及び接地電極４の本体部３ａ及び４ａはＮｉ合金等で構成されている。一方、上記発火部３１及び対向する発火部３２は、Ｉｒを主体としてＲｈを０．１〜３５重量％、望ましくは０．１〜３重量％の範囲で含有し、さらにＲｕ及びＲｅの少なくともいずれか（例えばＲｕ）を合計で、０．１〜１７重量％、望ましくは０．１〜１３重量％、より望ましくは０．５〜１０重量％の範囲で含有する合金により構成される。
【００２３】
図３に示すように、中心電極３の本体部３ａは先端側が縮径されるとともにその先端面が平坦に構成され、ここに上記発火部を構成する合金組成からなる円板状のチップを重ね合わせ、さらにその接合面外縁部に沿ってレーザー溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接等により溶接部Ｗを形成してこれを固着することにより発火部３１が形成される。また、対向する発火部３２は、発火部３１に対応する位置において接地電極４にチップを位置合わせし、その接合面外縁部に沿って同様に溶接部Ｗを形成してこれを固着することにより形成される。なお、これらチップは、例えば表記組成となるように各合金成分を配合・溶解することにより得られる溶解材、又は合金粉末あるいは所定比率で配合された金属単体成分粉末を成形・焼結することにより得られる焼結材により構成することができる。
【００２４】
発火部３１及び対向する発火部３２のいずれか一方を省略する構成としてもよい。この場合には、発火部３１又は対向する発火部３２と接地電極４又は中心電極３との間で火花放電ギャップｇが形成される。
【００２５】
以下、スパークプラグ１００の作用について説明する。すなわち、スパークプラグ１００は、そのねじ部７においてエンジンブロックに取り付けられ、燃焼室に供給される混合気への着火源として使用される。ここで、その火花放電ギャップｇを形成する発火部３１及び対向する発火部３２が前述の合金で構成されることで、Ｉｒの酸化・揮発による発火部の消耗が抑制され、加えて融点の高い材料を有効に使用できることによって耐火花消耗性も改善される。これにより、長期に渡って火花放電ギャップｇが拡大せず、プラグ１００の寿命を伸ばすことができる。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
所定量のＩｒ、Ｒｈ、Ｒｅ及びＲｕを配合・溶解することによりＩｒを主体としてＲｈとＲｅ又はＲｕとを各種組成で含有する合金を作製し、これを直径０．７mm、厚さ０．５mmの円板状のチップに加工した。そして、それらチップを試験片とし、大気中にて１１００℃で３０時間保持した後の各試験片の重量減少を測定した。その結果を図４〜図６に示す。まず、図４は、Ｒｅ及びＲｕを含有しない、Ｉｒ−Ｒｈ二元合金を用いた場合の試験片の酸化減量と、Ｒｈ含有量との関係を示している。Ｒｈを３重量％以上添加した場合は、酸化減量の値が比較的小さく、スパークプラグの発火部として使用可能であることが示唆されているが、３重量％未満の範囲では酸化減量は急速に大きくなっており、発火部としての耐消耗性に問題が生ずることを示している。
【００２７】
次に、図５は、Ｒｈの含有量を１重量％に固定したときの、試験片の酸化減量と、ＲｅないしＲｕ含有量との関係を示している。ＲｅとＲｕとは、合金に対してそれぞれ単独で添加したが、酸化減量とそれらの含有量との関係は両者でほとんど差は生じなかった。図５にはその結果を重ね合わせた形で示している。すなわち、ＲｅとＲｕとを添加しない場合（図４でＲｈ＝１重量％に対応）は、酸化減量がほぼ１００％に近い大きな値を示しているのに対し、ＲｅないしＲｕを微量添加しただけで酸化減量は急速に小さくなり、添加量が０．５重量％以上では２０％以下、１重量％以上では１０％以下と大幅に減少していることがわかる。これは、図４に示すＩｒ−Ｒｈ二元合金の試験結果において、Ｒｈ含有量を２０重量％以上に増大させた場合に匹敵するか、あるいはそれをしのぐ良好なレベルであり、該合金でスパークプラグの発火部を構成すれば、プラグの温度が上昇する高速・高負荷運転状態においても発火部の消耗が抑制され、プラグの耐久性が高められることが示唆されている。なお、ＲｅないしＲｕの含有量が１０重量％を超えると酸化減量は増大に転じ、さらに含有量が１７重量％を超えると、発火部の耐消耗性に問題を生じうる４０％程度にまで酸化減量が大きくなっている。
【００２８】
また、図５には、Ｒｈを添加しない場合の試験結果を破線で示しているが、酸化減量の大幅な改善は見られない。このことは、合金の酸化揮発による消耗性を向上させる効果が、ＲｈとＲｅないしＲｕとが複合添加されることではじめて達成され、それら元素の添加効果が一体不可分に結びついていることを示すものである。
【００２９】
一方、図６は、Ｒｈの含有量を３０重量％に固定して同様の試験を行なった場合の、結果を示すものである。ＲｅないしＲｕの添加量を例えば０．５〜１０重量％の範囲で設定した合金は、それらを添加しないＩｒ−Ｒｈ二元合金に比べて、酸化減量の値が１／３〜１／４程度に小さくなっていることがわかる。
【００３０】
（実施例２）
所定量のＩｒ、Ｒｈ、Ｒｅ及びＲｕを配合・溶解することによりＩｒを主体としてＲｈとＲｅ又はＲｕとを各種組成で含有する合金を作製し、これを直径０．７mm、厚さ０．５mmの円板状のチップに加工した。
【００３１】
なお、合金中のＲｕないしＲｅの添加条件は、ＲｕないしＲｅの合計含有量を１０重量％又は０．５重量％のいずれかに固定するとともに、それぞれＲｕ単独添加、Ｒｅ単独添加及びＲｕ−Ｒｅの複合添加の、都合６種類のいずれかに設定し、各条件毎にＲｈ含有量を０〜４０重量％の各種値で設定した（ただし０重量％は比較例）。また、比較のため、Ｒｅ及びＲｕをいずれも添加せず、Ｒｈ含有量を０〜４０重量％各種値で設定した合金のチップも合わせて作製した。
【００３２】
そして、このチップを用いて図１及び図２に示すスパークプラグ１００の発火部３１及び対向する発火部３２を形成した。ただし、火花放電ギャップｇの幅は１．１mmに設定した。そして、これらプラグの性能試験を以下の条件にて行った。すなわち、６気筒ガソリンエンジン（排気量３０００cc）にプラグを取り付け、スロットル全開状態、エンジン回転数５５００ｒｐｍにて４００時間連続運転し（中心電極温度約９００℃）、運転終了後のプラグの火花放電ギャップｇの拡大量を測定した。図７は、その結果を合金中のＲｈの含有量と火花放電ギャップ増加量との関係で示したものである。
【００３３】
すなわち、Ｒｅ及び／又はＲｕを含有させた合金で発火部を構成したものは、それらの含有量を０．５重量％及び１０重量％のいずれに設定した場合においても、Ｒｕ単独添加、Ｒｅ単独添加及びＲｕ−Ｒｅの複合添加の別によらず、ＲｅないしＲｕを含有しないＩｒ−Ｒｈ二元合金で発火部を構成したものと比較して、いずれのＲｈ含有量においてもこれとほぼ同等か、あるいはそれ以上の耐消耗性を示している。例えば、Ｒｅ及び／又はＲｕの合計含有量が０．５重量％の条件では、Ｒｈが５〜３５重量までの広い組成範囲で、良好な耐消耗性能が安定的に得られていることがわかる。また、Ｒｈ含有量が５重量％未満の範囲においては、二元合金を使用したものでは耐消耗性が急速に低下しているのに対し、Ｒｅ及び／又はＲｕを含有する合金を使用したものは、良好な耐消耗性を示していることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパークプラグを示す正面断面図。
【図２】その発火部側の正面部分断面図。
【図３】図２の要部を示す拡大断面図。
【図４】実施例１において、Ｉｒ−Ｒｈ二元合金試験片を用いた場合の、試験片中のＲｈ含有量と酸化減量との関係を示すグラフ。
【図５】同じく、Ｒｈを１重量％含有するＩｒ−Ｒｈ−Ｒｅ系合金試験片ないしＩｒ−Ｒｈ−Ｒｕ系合金試験片を用いた場合の、試験片中のＲｅ又はＲｕの含有量と酸化減量との関係を示すグラフ。
【図６】同じく、Ｒｈを３０重量％含有するＩｒ−Ｒｈ−Ｒｅ系合金試験片ないしＩｒ−Ｒｈ−Ｒｕ系合金試験片を用いた場合の、試験片中のＲｅ又はＲｕの含有量と酸化減量との関係を示すグラフ。
【図７】発火部を構成する各種合金中のＲｈ含有量と、火花放電ギャップの増加量との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１主体金具
２絶縁体
３中心電極
４接地電極
３１発火部（チップ）
３２対向する発火部（チップ）
ｇ火花放電ギャップ

Claims

中心電極と、その中心電極の外側に設けられた絶縁体と、前記絶縁体の外側に設けられた主体金具と、前記中心電極と対向するように配置された接地電極と、それら中心電極と接地電極との少なくとも一方に固着されて火花放電ギャップを形成する発火部とを備え、
その発火部が、Ｉｒを主体としてＲｈを０．１〜３５重量％の範囲で含有し、さらにＲｕ及びＲｅの少なくともいずれかを合計で０．１〜１７重量％の範囲で含有する合金により構成されることを特徴とするスパークプラグ。
中心電極と、その中心電極の外側に設けられた絶縁体と、前記絶縁体の外側に設けられた主体金具と、前記中心電極と対向するように配置された接地電極と、それら中心電極と接地電極との少なくとも一方に固着されて火花放電ギャップを形成する発火部とを備え、
その発火部が、Ｉｒを主体としてＲｈを０．１〜３５重量％の範囲で含有し、さらにＲｕを０．１〜１７重量％の範囲で含有する合金により構成されることを特徴とするスパークプラグ。
中心電極と、その中心電極の外側に設けられた絶縁体と、前記絶縁体の外側に設けられた主体金具と、前記中心電極と対向するように配置された接地電極と、それら中心電極と接地電極との少なくとも一方に固着されて火花放電ギャップを形成する発火部とを備え、
その発火部が、Ｉｒを主体としてＲｈを０．１〜３重量％の範囲で含有し、さらにＲｕ及びＲｅの少なくともいずれかを合計で０．１〜１７重量％の範囲で含有する合金により構成されることを特徴とするスパークプラグ。
前記発火部を構成する合金は、Ｒｕ及びＲｅの少なくともいずれかを合計で０．１〜１３重量％の範囲で含有する請求項１ないし３のいずれかに記載のスパークプラグ。
前記発火部を構成する合金は、Ｒｕ及びＲｅの少なくともいずれかを合計で０．５〜１０重量％の範囲で含有する請求項１ないし４のいずれかに記載のスパークプラグ。