JP3796845B2

JP3796845B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP3796845B2
Application number: JP26472296A
Authority: JP
Inventors: 正道柴田; 泰川島
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1996-10-04
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2016-10-04
Also published as: JPH10112373A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
ガスヒートポンプやコージェネレーション用エンジン等に使用される長寿命なスパークプラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図５に示すように、導電材料（例えば、Ｎｉ合金材料および銅）からなる中心電極３の先端部３ａに、中心電極３よりも高融点な導電材料（例えばＩｒ合金）からなるチップ５をレーザー溶接したスパークプラグ１０が、特開平５−３４３１５９号公報に提案されている。このチップ５は、中心電極３の先端部３ａに設けた孔３２１に挿入される脚部５１と、この脚部５１よりも大径な大径部５２とを備えている。なお、大径部５２の径は１．８ｍｍであった。
【０００３】
そして、中心電極３の先端部３ａとチップ５の大径部５２との当接部位に、上記レーザー溶接による溶融部７が形成されている。この溶融部７のうち、チップ５の軸方向（図中上下方向）に関する上方側略半分はチップ５にかかり、溶融部７のうち、上記軸方向に関する下方側略半分は中心電極３にかかっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、このようなスパークプラグ１０を、ガスヒートポンプやコージェネレーション用エンジン等に適用することが試みられている。ガスヒートポンプやコージェネレーション用エンジン等は、従来の自動車エンジン等に比べてより長期間にわたって使用されるため、これに適用するスパークプラグ１０も長寿命であることが要求される。
【０００５】
そして、本発明者らが、上記従来技術のスパークプラグ１０について、ガスエンジンの使用環境を模擬して評価を行なった結果、ガスエンジンの寿命よりも短い期間で、チップ５が中心電極３から剥離する、という問題が発生することがわかった。また、チップ５の大径部５２と、溶融部７との界面近傍に亀裂が入り、この亀裂の進行により、上記剥離が発生することがわかった。
【０００６】
以下に、上記問題の発生する原因について、本発明者らが実験、検討した結果を述べる。
まず、中心電極３を構成する材料の熱膨張係数（例えばニッケル合金材料は１３．３×１０^-6［ｄｅｇ^-］程度）が、チップ５を構成する材料（例えばＩｒ合金材料は６．８×１０^-6［ｄｅｇ^-］程度）よりも非常に大きいため、スパークプラグ１０の使用時における冷熱（温度差９００℃程度）の繰り返しにより、溶融部７近傍に熱応力がかかる。そして、明確な理由はわからないが、溶融部７とチップ５との間の固着力が、溶融部７と中心電極３との間の固着力よりも小さいため、上記熱応力により、溶融部７とチップ５との間に亀裂が生じ、溶融部７からチップ５が剥離するのである。
【０００７】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、脚部および大径部を有するチップが中心電極から剥離することを抑制することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１ないし８に記載の発明では、チップ（５）の小径部である脚部（５１）と、中心電極（３）の先端部（３ａ）との界面近傍に、チップ（５）および中心電極（３）を溶融し、チップ（５）および中心電極（３）を一体化する溶融部（７）を形成してあり、この溶融部（７）は、その先端部（７１）側全周が、チップ（５）の脚部（５１）の外周面よりも中心側へ食い込むように形成されていることを特徴としている。
【０００９】
このような構成によれば、溶融部（７）とチップ（５）との間の固着力がたとえ弱くても、溶融部（７）がチップ（５）の抜け止め作用を発揮するため、中心電極（３）の先端部（３ａ）からチップ（５）が剥離することを抑制でき、スパークプラグ（１０）の寿命を長くできる。このようなスパークプラグ（１０）は、ガスエンジンに用いて好適である。
【００１０】
そして、溶融部（７）の先端部（７１）側全周が、チップ（５）の脚部（５１）に、この脚部（５１）の径の１割以上食い込むように、溶融部（７）を形成することにより、上記従来技術に比べて、チップ（５）の剥離を確実に抑制できることが、発明者らの実験、検討により確認されている。
また、溶融部（７）の先端部（７１）側全周が、チップ（５）の脚部（５１）の外周面より径方向中心側に０．２ｍｍ以上食い込むことにより、上記従来技術に比べて、チップ（５）の剥離を確実に抑制できることが、後述の実験により確認されている。
【００１１】
ここで、チップ（５）は、例えばＩｒまたはＩｒ合金材料からなる。
また、中心電極（３）は、例えば、銅合金材料からなる内材（３１）と、ニッケル合金材料からなる外材（３２）とを備えている。
そして、上記従来技術よりも大径な大径部（５２）を備えた（つまり、長寿命な）チップ（５）、つまり、大径部（５２）の径が２．５ｍｍ〜３．５ｍｍであるようなチップ（５）に関しては、スパークプラグ（１０）の使用時における冷熱の繰り返しによる、大径部（５２）および中心電極（３）の温度差が大きくなることがわかっている。
【００１２】
よって、上記熱応力がより大きくなり、本発明を適用しない場合には、溶融部（７）からチップ（５）が剥離するまでの期間がさらに短くなる。このため、大径な大径部（５２）を備えたチップ（５）に関しては、本発明を適用することにより、上記剥離を効果的に抑制でき、スパークプラグ（１０）の寿命を効果的に長くできる。
【００１３】
ここで、スパークプラグ（１０）の火花放電は、チップ（５）の大径部（５２）のうち、尖った部位に発生しやすい。この尖った部位が消耗して丸みを帯びることにより、火花放電の発生しやすい場所が減少し、点火ミスが多発し、スパークプラグ（１０）の寿命となる。これに対して、大径部（５２）の表面に溝（５３）を形成し、この溝（５３）と、大径部（５２）の表面との境界部位に、尖った形状のエッジ部（５４）を形成することにより、火花放電の発生しやすい場所が増加し、スパークプラグ（１０）の寿命を長くできる。
【００１４】
そして、大径部（５２）の表面に溝（５３）を備えたチップ（５）に関しても、上記冷熱の繰り返しによるチップ（５）の温度変化が大きくなることがわかっている。よって、この場合も、本発明を適用することにより、上記剥離を効果的に抑制できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図１および図２に示す実施形態について説明する。
本実施形態のスパークプラグ１０は、ガスヒートポンプのような、ガス（例えばＬＮＧ、ＣＮＧ等）を燃料とするガスエンジンに適用されるものである。図２に示すように、取付金具１は、円筒形状で、エンジンブロック１００に固定するための取付ネジ部１ａを備えている。取付金具１の内部には、アルミナセラミック（Ａｌ₂Ｏ₃）等からなる絶縁体２が固定されており、この絶縁体２の軸孔２１に中心電極３が固定されている。絶縁体２の先端部２ａは、取付金具１の先端部１１から露出するように設けられている。
【００１６】
中心電極３は、図１（ａ）に示すように、内材３１が熱伝導性に優れた金属材料（例えば銅合金材料）、外材３２が耐熱性に優れたＮｉ合金材料（例えば、インコネル社のインコネル６００）により構成された円柱体で、図２に示すように、その先端部３ａが絶縁体２の先端部２ａから露出するように設けられている。取付金具１の先端部１１には、接地電極４が溶接により固定されている。この接地電極４は、Ｎｉ合金材料等の金属材料からなり、後述するチップ５と放電ギャップ６を隔てて対向している。
【００１７】
ここで、ガスエンジンの燃焼室内は、ガソリンエンジンの燃焼室内に比べて圧力が高いため、火花放電しにくい環境である。このため、本実施形態におけるスパークプラグ１０の放電ギャップ６を、ガソリンエンジンに設けるスパークプラグの放電ギャップに比べて短く、例えば０．３ｍｍ程度にしてある。
中心電極３の先端部３ａには、本発明の特徴であるＩｒ合金材料（例えば、９０ｗｔ％Ｉｒ−１０ｗｔ％Ｒｈ）からなるチップ５が設けられている。中心電極３の先端部３ａには、円形状の孔３２１が形成されており、チップ５は、孔３２１に挿入可能な円柱形状の脚部５１と、この脚部５１よりも大径な円柱形状の大径部５２とを備えている。
【００１８】
さらに、大径部５２の表面には、図１（ｂ）に示すような十字状の溝５３が形成されている。この溝５３は、図１（ａ）に示すように断面コ字状であり、この溝５３と大径部５２の表面との境界部に、直角的に尖った形状のエッジ部５４が形成されている。ここで、放電ギャップ６に発生する火花放電は、チップ５の大径部５２のうち、尖った部位（大径部５２の端面外周部や、上記エッジ部５４）に発生しやすい。よって、溝５３を形成しない場合に比べて、火花放電の発生しやすい場所が増加し、スパークプラグ１０の寿命を長くできる。
【００１９】
また、火花放電により形成される火炎は、放電ギャップ６に形成されるものであるが、溝５３を設けることにより、火炎核の形成スペースを拡大でき、火炎を大きくできる。この結果、混合気の着火性を向上できる。
そして、チップ５の脚部５１と中心電極３の先端部３ａとの界面近傍には、チップ５の脚部５１および中心電極３の溶融部７が、複数カ所（本実施形態では９０°づつ隔てて４か所）形成されている。この溶融部７は、チップ５の脚部５１および中心電極３の先端部３ａにかけて形成されており、後述するレーザー溶接により形成されている。
【００２０】
この溶融部７は、チップ５の径方向に略並行に延びるとともに、その先端部７１側全周が、チップ５の脚部５１の外周面より径方向中心側に食い込むように形成されている。そして、溶融部７の先端部７１側全周の食い込み長さＬを、例えば０．３ｍｍとしている。なお、溶融部７の先端部７１側全周の食い込み長さＬとは、溶融部７の先端部７１側のうち、その全周にわたってチップ５の脚部５１の外周面より径方向中心側に食い込む部位の長さのことである。
【００２１】
このような構成によれば、溶融部７とチップ５との間の固着力がたとえ弱くても、溶融部７がチップ５の抜け止め作用を発揮するため、中心電極３２１の先端部３ａからチップ５が剥離することを抑制でき、スパークプラグ１０の寿命を長くできる。
以下に、スパークプラグ１０について、溶融部７の形態および寸法と、チップ５の剥離との関係を評価した結果について説明する。
【００２２】
まず、図１（ａ）において、大径部５２の径を２．７ｍｍ、大径部５２の厚さを１．３ｍｍ、脚部５１の径を１．７ｍｍ、脚部５１の厚さを１．０ｍｍ、溝５３の巾を０．４ｍｍ、溝５３の深さを０．８ｍｍとし、上記食い込み長さＬが０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍとなるようにチップ５を溶接したものを６個ずつ用意した。また、図５に示す従来技術のスパークプラグ１０において、貴金属チップ５および中心電極３を上述と同様の寸法としたもの（従来品）も６個用意した。
【００２３】
そして、上記した寸法のそれぞれのスパークプラグ１０を、大気中において、９５０℃の環境に６分配置させた後、２５℃の環境に６分配置させる、といった冷熱サイクルを繰り返し行い、チップ５が剥離するまでの間に行なわれた冷熱サイクル数を測定した。
この結果、従来品では、冷熱サイクルが１００回〜１３０回繰り返されることにより、チップ５が剥離することが確認された。また、上記食い込み長さＬが０．１ｍｍのものでは、冷熱サイクルが１８０回〜２００回繰り返されることにより、チップ５が剥離することが確認された。また、上記食い込み長さＬが０．２ｍｍ、０．３ｍｍのものでは、冷熱サイクルを４００回繰り返しても、チップ５が剥離しないことが確認された。
【００２４】
これにより、▲１▼溶融部７の先端部７１側全周を、チップ５の脚部５１に食い込ませることにより、従来技術に比べて、チップ５の剥離を抑制できること、▲２▼上記食い込み長さＬが０．２ｍｍ以上であれば、従来技術に比べて、チップ５の剥離を効果的に抑制できること、が確認された。
（第２の実施形態）
本実施形態では、図３に示すように、溶融部７が、中心電極３の先端部３ａ、チップ５の脚部５１および大径部５２にかかっている。そして、この溶融部７は、その先端部７１側全周が、チップ５の脚部５１の外周面より径方向中心側に食い込むように形成されている。そして、溶融部７の先端部７１側全周の食い込み長さＬを、例えば０．３ｍｍとしている。
【００２５】
本実施形態についても、上記食い込み長さＬを０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍとしたものを６個ずつ用意し、上記評価を同様に行なったところ、上記食い込み長さＬが０．１ｍｍのものでは、冷熱サイクルが１５０回〜２００回繰り返されることにより、チップ５が剥離することが確認された。また、上記食い込み長さＬが０．２ｍｍ、０．３ｍｍのものでは、冷熱サイクルを４００回繰り返しても、チップ５が剥離しないことが確認された。
【００２６】
（第３の実施形態）
本実施形態では、図４に示すように、溶融部７が、中心電極３の先端部３ａおよびチップ５の脚部５１の先端部５１１側にかかっている。そして、この溶融部７は、その先端部７１側全周が、チップ５の脚部５１の外周面より径方向中心側に食い込むように形成されている。そして、溶融部７の先端部７１側全周の食い込み長さＬを、例えば０．２ｍｍとしている。
【００２７】
本実施形態についても、上記食い込み長さＬを０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍとしたものを６個ずつ用意し、上記評価を同様に行なったところ、上記食い込み長さＬが０．１ｍｍのものでは、冷熱サイクルが１５０回〜２００回繰り返されることにより、チップ５が剥離することが確認された。また、上記食い込み長さＬが０．２ｍｍ、０．３ｍｍのものでは、冷熱サイクルを４００回繰り返しても、チップ５が剥離しないことが確認された。
【００２８】
（他の実施形態）
上記実施形態では、大径部５２の表面に十字状の溝５３を形成していたが、この形状に限定されることはなく、円形状であってもよいし、スポーク状であってもよい。また、溝５３を廃止してもよい。
また、上記実施形態では、大径部５２の径が２．７ｍｍのチップ５を用いていたが、これより大きくても小さくてもよく、例えば、従来技術と同様のチップ５（大径部５２の径が１．８ｍｍ）を用いてもよい。
【００２９】
また、レーザー溶接に替えて、電子ビーム溶接により、溶融部７を形成してもよい。
また、上記実施形態では、溝５３は断面コ字状であったが、断面Ｖ字状であってもよい。なお、溝５３のエッジ部５４は、直角より鈍角的でも鋭角的でもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係わるスパークプラグの先端側の拡大断面図、（ｂ）はチップ５の上面図である。
【図２】本発明の実施形態に係わるスパークプラグの半断面図である。
【図３】第２の実施形態に係わるスパークプラグの先端側の拡大断面図である。
【図４】第３の実施形態に係わるスパークプラグの先端側の拡大断面図である。
【図５】従来技術に係わるスパークプラグの先端側の拡大断面図である。
【符号の説明】
３…中心電極、５…チップ、５１…脚部、５２…大径部、
７…溶融部、７１…溶融部の先端部。

Claims

導電材料からなり、先端部（３ａ）に孔（３２１）を備えた中心電極（３）と、
前記孔（３２１）に挿入される脚部（５１）と、前記脚部（５１）よりも大径な大径部（５２）とを同軸的に一体に備えたチップ（５）とを具備し、
前記チップ（５）は、前記中心電極（３）よりも融点が高く、かつ、前記中心電極（３）よりも熱膨張率が小さな導電材料からなり、
前記チップ（５）の前記脚部（５１）と、前記中心電極（３）の前記先端部（３ａ）との界面近傍には、前記チップ（５）および前記中心電極（３）を溶融して前記チップ（５）と前記中心電極（３）とを一体に接合する溶融部（７）が形成されており、
前記溶融部（７）の先端部（７１）側全周が、前記チップ（５）の前記脚部（５１）の外周面より径方向中心側に食い込むように、前記溶融部（７）は形成されていることを特徴とするスパークプラグ。
前記溶融部（７）の先端部（７１）側全周が、前記チップ（５）の前記脚部（５１）の外周面より径方向中心側に、前記脚部（５１）の径の１割以上食い込むように、前記溶融部（７）は形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
前記溶融部（７）の先端部（７１）側全周が、前記チップ（５）の前記脚部（５１）の外周面より径方向中心側に、０．２ｍｍ以上食い込むように、前記溶融部（７）は形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のスパークプラグ。
前記チップ（５）は、ＩｒまたはＩｒ合金材料からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のスパークプラグ。
前記中心電極（３）は、銅合金材料からなる内材（３１）と、ニッケル合金材料からなる外材（３２）とを備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のスパークプラグ。
前記溶融部（７）は、前記中心電極（３）および前記チップ（５）の前記脚部（５１）のみにかけて形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のスパークプラグ。
前記大径部（５２）の径は、２．５ｍｍ〜３．５ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のスパークプラグ。
前記大径部（５２）の表面側には溝（５３）が形成されており、
この溝（５３）と、前記大径部（５２）の表面との境界部位には、尖った形状のエッジ部（５４）が形成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載のスパークプラグ。