JP3878262B2 - スパークプラグ - Google Patents

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、白金は高価であるためチップ材料として安価なＩｒ（イリジウム）を使用する提案がなされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のプラグにおいてチップをＩｒで構成した場合、Ｉｒは９００〜１０００℃の高温域において酸化・揮発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った。一方、これとは別の問題として、Ｉｒは常温及び高温のいずれにおいても延性あるいは展性に乏しいことから、発火部を形成するためのチップを鍛造、圧延あるいは打抜き等の加工により製造しようとすると、材料歩留まりと製造能率が低下して量産性が悪化する欠点がある。
【０００４】
例えば、前述のチップの耐久性を改善するための一手段としては、適当な金属成分を合金に添加してＩｒの酸化・揮発による消耗を抑さえることが考えられるが、合金の加工性については必ずしも改善されなかったり、添加元素の種類によっては加工性が一層悪化することもありうる。また、加工性の問題を回避するために、焼結法によりチップを製造する提案がなされているが（例えば特開昭６１−８８４７９号公報）、焼結合金製のチップは溶解合金製のチップに比べると耐久性に劣る欠点がある。このように、Ｉｒ系のチップを使用したプラグにおいて、チップの耐久性と量産性の双方に優れたものは未だ開発されておらず、該プラグの普及を妨げる大きな原因となっている。
【０００５】
本発明の課題は、Ｉｒを主体に構成されつつも、高温でのＩｒ成分の酸化・揮発による消耗が起こりにくく、しかも加工性に優れた材料により発火部が構成されたスパークプラグを提供することにある。
【０００６】
【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、一方の端部側から中心電極を突出させた状態で、絶縁体の外側に設けられた主体金具と、その主体金具に一端が結合され、他端側が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３〜４９．５重量％の範囲で含有し、さらにＷを０．５〜１２重量％の範囲で含有した合金により構成されたことを特徴とする。
【０００７】
本発明者は、火花放電ギャップを形成する発火部を、Ｉｒを主体として上記範囲のＲｈを含有する合金により構成することで、高温でのＩｒ成分の酸化・揮発による消耗が効果的に抑制されるとともに、合金がさらに上記範囲のＷを含有することにより、その加工性が劇的に改善されることを見い出したのである。これにより、Ｉｒ系金属で発火部を構成した従来のスパークプラグの問題点がことごとく解決され、ひいては発火部の構成材料としてＩｒを主成分とする金属を使用しつつも、その耐久性（特に高速走行時の耐久性）と量産性の双方に優れたスパークプラグを実現することができる。
【０００８】
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。
【０００９】
この場合、チップは、原料を所定の組成となるように配合・溶解して得られる溶解合金に対し所定の加工を施して得られる加工材で構成することができる。なお、ここでいう「加工」とは、圧延、鍛造、引き抜き、切削、切断及び打抜きの少なくともいずれかの工程を含んで行われるものを意味するものとする。この場合、圧延、鍛造、あるいは打抜き等の加工は、合金を所定の温度に昇温して行ういわゆる熱間加工（あるいは温間加工）により行うことができる。その加工温度は合金組成にもよるが、例えば７００℃以上とするのがよい。本発明のスパークプラグにおけるチップ材質においては、とりわけ熱間打抜き加工に対する特性が良好であり、例えば溶解合金を熱間圧延により板状に加工し、さらにその板材を熱間打抜き加工により所定の形状に打ち抜いてチップを形成するようにすれば、チップの製造効率が著しく改善され、チップの製造単価を大幅に低減することができる。なお、溶解合金を熱間圧延又は熱間鍛造により線状あるいはロッド状に加工した後、これを長さ方向に所定長に切断してチップを形成する方法も可能である。
【００１０】
合金中のＷの含有量が０．５重量％未満になると、合金の加工性改善効果が十分に達成できなくなり、例えば加工中に割れやクラックなどが生じやすくなって、チップを製造する際の材料歩留まりの低下につながる。また、熱間打抜き加工等によりチップを製造する場合は、打抜き刃等の工具の消耗あるいは損傷が生じやすくなり、製造効率が低下する。一方、１２重量％を超えると加工性は却って悪化し、同様に材料歩留まりの低下や製造効率の悪化につながる。それ故、Ｒｈの含有量は前述の範囲で調整するのがよく、望ましくは２〜９重量％の範囲で調整するのがよい。なお、最適のＷ含有量はＲｈの含有量によって変化し、Ｒｈ含有量が１８重量％未満ではＷ含有量は１．５〜９．５重量％とするのがよく、また、Ｒｈ含有量が１８〜２３重量％ではＷ含有量は０．５〜９．５重量％とするのがよく、さらにＲｈ含有量が２３重量％以上の場合はＷ含有量は０．５〜１２重量％とするのがよい。
【００１１】
次に、合金中のＲｈの含有量が３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、チップが消耗しやすくなるためプラグの耐久性が低下する。この場合、チップの消耗が起きる場所としては、チップの先端面部分が第一に挙げられるが、Ｒｈ含有量が減少するとチップの側面部でも消耗が進行することがある。このような状況になると、火花放電のためのチップの通電断面積が減少する結果、チップの先端面部に電界が集中しやすくなり、消耗が加速度的に進行してプラグの寿命が急速に尽きてしまうことにもつながる。従って、Ｒｈの含有量の調整は、チップの先端面部だけでなく、側面部における消耗もなるべく生じにくい範囲を選定することが望ましいといえる。一方、Ｒｈの含有量が４９．５重量％を超えると合金の融点が低下し、プラグの耐久性が同様に低下する。以上のことから、Ｒｈの含有量は前述の範囲で調整するのがよく、望ましくは７〜３０重量％、より望ましくは１５〜２５重量％、最も望ましくは１８〜２２重量％の範囲で調整するのがよい。
【００１２】
【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、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。
【００１３】
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。
【００１４】
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、Ｒｈを３〜４９．５重量％、望ましくは７〜３０重量％、より望ましくは１５〜２５重量％、最も望ましくは１８〜２２重量％の範囲で含有し、さらにＷを０．５〜１２重量％、望ましくは２〜９重量％の範囲で含有する合金により構成される。
【００１５】
図２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Ｂ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Ｂを形成してこれを固着することにより形成される。なお、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。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合金を熱間圧延により板状に加工し、その板材を熱間打抜き加工により所定のチップ形状に打ち抜いて形成されたものが使用されている。なお、チップは、合金を熱間圧延又は熱間鍛造により線状あるいはロッド状に加工した後、これを長さ方向に所定長に切断して形成したものを使用してもよい。
【００１６】
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るので、長期に渡って火花放電ｇが拡大せず、プラグ１００の寿命を伸ばすことができる。また、合金組成が前述の範囲に設定されることで、発火部３１及び３２を構成するチップを熱間圧延及び熱間打抜きにより極めて能率よく製造できる。
【００１７】
【実施例】
（実施例１）
所定量のＩｒ、Ｒｈ及びＷを配合・溶解することにより、Ｒｈを１５、２０及び２５重量％の各比率で含有し、さらにＷを０〜１３重量％（０重量％及び１３重量％は比較例）の各種比率で含有して、残部が実質的にＩｒである合金を作製した。この合金に対し熱間圧延（温度７００℃以上）を施して、これを厚さ０．５mmの板材に加工した。なお、圧延中は試料温度が常に７００℃以上に保持されるよう、一定パス毎に所定の炉を用いて試料を加熱した。次いで、上記得られた板材を７００℃以上に保持し、その状態で所定の金型により直径０．７mm、厚さ０．５mmの円板状のチップを打ち抜く加工を連続して行った。そして、打抜きを１０００回以上繰り返しても正常に打抜きが行えたものを「○」、８００回程度でチップに割れや欠けが生じたり金型に損傷が生じたものを「△」、１００回未満でチップに割れや欠けが生じたり金型に損傷が生じたものを「×」として評価した。結果を表１に示す。
【００１８】
【表１】

【００１９】
チップ材料として、Ｗの含有量が本発明の請求項の範囲内である合金を使用した場合は、その熱間打抜き加工性が良好であることがわかる。
【００２０】
次に、表記各組成の合金のうち、Ｉｒ−１５重量％Ｒｈ−９重量％Ｗ、及びＩｒ−２５重量％Ｒｈ−１１重量％Ｗの２種類と、比較例としてＲｈ及びＷを含有しないＩｒ金属を用いて、これを前述と同様の熱間圧延及び打抜き加工により直径０．７mm、厚さ０．５mmの円板状の試験片に加工し、さらに大気中にて１１００℃で２０時間保持した後、各試験片の重量減少を測定した。その結果を図３に示す。すなわち、Ｒｈ及びＷを表記組成で含有する合金の試験片についてはＩｒの酸化揮発が抑制されるので、比較例の試験片に比べてその重量減少が小さくなっていることがわかる。このことは、そのような合金でスパークプラグのチップを作製すれば、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チップの消耗が抑制され、プラグの耐久性が高められることを示唆するものである。
【００２１】
（実施例２）
所定量のＩｒ、Ｒｈ及びＷを配合・溶解することにより、Ｗを６重量％、Ｒｈを０〜６０重量％の各種比率で含有し残部が実質的にＩｒで構成された合金（ただし、Ｒｈ＝０及び６０重量％は比較例）を用意し、これを用いて実施例１と同様の熱間圧延及び打抜き加工により、直径０．７mm、厚さ０．５mmの円板状のチップを作製した。なお、比較例として、Ｐｔ−１３重量％Ｉｒ溶解合金を用いたチップも作製した。それらチップを用いて、図１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を形成するとともに（火花放電ギャップｇの幅１．１mm）、各プラグの性能試験を以下の条件にて行った。
条件Ａ（連続高速運転を想定）：６気筒ガソリンエンジン（排気量３０００cc）にそれらプラグを取り付け、スロットル全開状態、エンジン回転数６０００ｒｐｍにて３００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４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。
条件Ｂ（市街地運転を想定）：４気筒ガソリンエンジン（排気量２０００cc）にそれらプラグを取り付け、アイドリング１分→エンジン回転数３５００ｒｐｍ、全開状態で３０分→エンジン回転数２０００ｒｐｍ、半開状態で２０分を１サイクルとして、１０００時間運転し（中心電極温度約７８０℃）、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５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。
【００２２】
条件Ｂにおいては、チップの合金組成範囲が本発明の範囲に属するプラグについては、火花放電ギャップｇの増加が小さいのに対し、比較例（Ｒｈ６０重量％以上、及びＰｔ−Ｉｒ合金）のプラグは火花放電ギャップが著しく拡大していることがわかる。また、それよりも高負荷の条件Ａにおいては、実施例と比較例との間における火花放電ギャップ増加量の差がさらに顕著となっている。また、Ｒｈの含有量範囲が３〜４０重量％から７〜３０重量％へ、さらには１５〜２５重量％へと変化するに伴い、ギャップ増加量が段階的に減少しており、特にＲｈ含有量が１５〜２５重量％であるチップを使用したプラグにおいては、厳しい運転条件にも拘わらず、非常に良好な耐久性を示していることがわかる。
【００２３】
（実施例３）
所定量のＩｒ、Ｒｈ及びＷを配合・溶解することにより、Ｗを６重量％、Ｒｈを１５、１８、２０、２２及び２５重量％の各比率でそれぞれ含有し、残部が実質的にＩｒで構成された合金を用意し、これをチップ材料として用いて実施例１と同様のプラグを作製した。そして、これらプラグに対し実施例１の条件Ａよりもさらに厳しい下記条件Ｃにて性能試験を行った。
条件Ｃ：４気筒ガソリンエンジン（排気量１６００cc）にそれらプラグを取り付け、スロットル全開状態、エンジン回転数６２５０ｒｐｍにて３００時間連続運転し（中心電極温度約９５０℃）、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６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。
【００２４】
該結果によれば、Ｒｈの含有量範囲が１８〜２２重量％であるチップを使用したプラグにおいては、Ｒｈ含有量が該範囲外にあるチップを使用したものに比べて、条件Ｂよりさらに厳しい条件Ｃにおいてもギャップ増加量が小さく、より良好な耐久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部分断面図。
【図２】その要部を示す拡大断面図。
【図３】実施例の各試験片の酸化による重量減少の値を示すグラフ。
【図４】発火部を構成する合金中のＲｈ含有量と、火花放電ギャップの拡大量との関係を示すグラフ（実施例２：条件Ａ）。
【図５】発火部を構成する合金中のＲｈ含有量と、火花放電ギャップの拡大量との関係を示すグラフ（実施例２：条件Ｂ）。
【図６】発火部を構成する合金中のＲｈ含有量と、火花放電ギャップの拡大量との関係を示すグラフ（実施例３：条件Ｃ）。
【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 (6)

1. 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、その主体金具に一端が結合され、他端側が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３〜４９．５重量％の範囲で含有し、さらにＷを０．５〜１２重量％の範囲で含有した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。
2. 前記発火部を構成する合金は、Ｗを２〜９重量％の範囲で含有する請求項１記載のスパークプラグ。
3. 前記発火部を構成する合金は、Ｒｈを７〜３０重量％の範囲で含有する請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
4. 前記発火部を構成する合金は、Ｒｈを１５〜２５重量％の範囲で含有する請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
5. 前記発火部を構成する合金は、Ｒｈを１８〜２２重量％の範囲で含有する請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
6. 前記発火部は、原料を所定の組成となるように配合・溶解して得られる溶解合金に対し、圧延、鍛造、引き抜き、切削、切断及び打抜きの少なくともいずれかの工程を含む加工を施して得られる加工材により形成されたものである請求項１ないし５のいずれかに記載のスパークプラグ。

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