JP4485084B2

JP4485084B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP4485084B2
Application number: JP2001051620A
Authority: JP
Inventors: 友聡加藤; 守無笹
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2001-02-27
Filing date: 2001-02-27
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2021-02-27
Also published as: JP2002260815A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用スパークプラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ギャップ間隔を狭くして放電電圧の低下を図ることを目的としたスパークプラグが提供されている。例えば、ガスエンジン用プラグの場合、燃料の特性上放電電圧が高くなる。それに対し、ギャップ間隔を狭くすることにより要求電圧を満たしつつ放電電圧をある程度低下させることが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の解決すべき課題は、放電電圧が高いエンジン用として使用されるギャップ間隔の狭いスパークプラグにおいて、更なる放電電圧低減を達成し得るスパークプラグを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記のような課題を解決するために本発明は、
火花放電ギャップを挟んで対向する中心電極と接地電極と備え、それら電極の各々の前記火花放電ギャップに臨む位置に、貴金属を主体に構成された貴金属チップが固着されてなり、それら中心電極及び接地電極に設けられた貴金属チップの互いに対向する発火面間において前記火花ギャップが構成されるスパークプラグであって、
前記火花放電ギャップの間隔をｇとし、かつ、前記中心電極側の貴金属チップの前記火花ギャップに臨む発火面（中心電極側チップ発火面）の外周縁と、その中心電極側チップ発火面と対向する接地電極側貴金属チップの発火面（接地電極側チップ発火面）の外周縁との最短距離をＬとした場合、ｇ≦０．６ｍｍ、かつＬ／ｇ≦１．１の関係ともに満たすことを前提とする。
【０００５】
中心電極及び接地電極に貴金属チップを使用したプラグでは、チップの外周縁（エッジ）部分に電界が集中するために、火花は最短となる発火面よりも外周縁間、即ちエッジ間で飛火し易くなる。しかしながら、この外周縁の最短距離がギャップ間隔に比べて大きくなりすぎると発火面間又はエッジ−発火面間で飛火し、エッジ間において飛火することに基づく放電電圧の低下を達成できなくなるが、上記のごとくＬ／ｇ≦１．１とするとエッジ間において安定して飛火し、ひいては放電電圧の安定した低減を図ることが可能となる。なお、ｇ≦０．６ｍｍを満たすギャップ間隔の小さいプラグにおいては、ギャップ間隔を狭めることに基づく放電電圧の低減と、エッジ間の放電によりもたらされる放電電圧の低減とがともに期待でき、一層効果的である。
【０００６】
なお、ｇが０．６ｍｍを超えるスパークプラグにおいては、ギャップ間隔が広く、ギャップ間隔とエッジ間距離の関係によらずエッジ間の放電が起こりやすいため、エッジ間距離を調整しても効果が得られにくいが、上記ｇ≦０．６ｍｍのスパークプラグにおいては、放電電圧がＬ／ｇの影響をより大きく受けることとなるのである。
【０００７】
そして、本発明のスパークプラグは、上記前提要件を備えた上で、接地電極側チップ発火面を、接地電極の電極母材面から突出する突出部の先端面に形成するようにし、該突出部の突出高さが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲に調整されることを特徴とする。突出部の突出高さが０．１ｍｍ未満であると、即ち発火面と電極母材表面との距離が０．１ｍｍ未満であると電極母材に対して貴金属チップを固着する際の溶接ダレ等によりチップ発火面外周縁がエッジとして機能し難くなる可能性がある。また、０．５ｍｍを超えると電界が分散し、放電電圧の低下を達成できない。
【０００８】
なお、上記寸法範囲に加え、中心電極側チップ発火面の外径が１．０ｍｍ以上となるように中心電極側貴金属チップを大きくすれば、チップの耐久性を向上させつつも、要求電圧を満たすことができ、相乗的効果をもたらすこととなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１（（ａ）は正面図、（ｂ）は半断面図）は、本発明の一例たるスパークプラグを示すものである。このスパークプラグ１００は、例えばコジェネレーションガスエンジンの点火用に使用され、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、先端に形成された貴金属発火部３１（以下、中心電極側貴金属チップ３１、又は単にチップ３１ともいう）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には上記貴金属発火部３１に対向する貴金属発火部３２（以下、接地電極側貴金属チップ３２、又は単にチップ３２ともいう）が形成されており、それらチップ３１と、対向するチップ３２との間の隙間が火花放電ギャップＧとされている。
【００１０】
スパークプラグ１００は、火花放電ギャップＧの間隔ｇ（以下、ギャップ間隔ｇともいう）は０．２ｍｍ〜０．６ｍｍである。また、プラグ全長Ｌ0は６０〜１００ｍｍ（例えば７４．５ｍｍ）、ねじリーチＬ1は１２．５〜２６．５ｍｍ（例えば１９ｍｍ）、取付ねじ部７の呼びはＭ１０，Ｍ１２，Ｍ１４及びＭ１８のいずれか（例えばＭ１４）である。
【００１１】
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、スパークプラグ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。
【００１２】
中心電極３及び接地電極４のチップ被固着面形成部位、この実施例では少なくともその表層部がＮｉ又はＦｅを主成分とする耐熱合金にて構成されている。例えばＮｉを主成分とする耐熱合金としては、INCONEL 600やINCONEL601 （ともに商品名）等を使用できる。
【００１３】
図２に示すように、中心電極側貴金属チップ３１及び対向する接地電極側貴金属チップ３２の少なくともいずれか一方を、望ましくは両方をＩｒを主体に構成することができる。チップ３１、３２を構成する貴金属の材質としては以下のようなものがある。
１：Ｉｒ−Ｙ_２Ｏ_３合金
Ｉｒを主成分として、Ｉｒの火花消耗を抑制する目的でＹ_２Ｏ_３を０．１〜１５質量％の範囲で含有させることができる。Ｙ_２Ｏ_３の含有量が０．１質量％未満になると、Ｙ_２Ｏ_３によるＩｒの火花消耗抑制効果が十分に得られなくなる。一方、Ｙ_２Ｏ_３の含有量が１５質量％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、ひび割れ等の不具合を生ずることがある。
【００１４】
２：Ｉｒ−Ｒｈ合金
Ｉｒを主体としてＲｈを１〜５０質量％の範囲で含有させることができる。該合金の使用により、高温でのＩｒ成分の酸化揮発による発火部の消耗が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。なお、上記合金中のＲｈ含有量が１質量％未満になると、Ｒｈ添加による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久性が低下する。一方、Ｒｈの含有量が５０質量％以上にな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。
【００１５】
３：Ｉｒ−Ｐｔ合金
Ｉｒ又はＰｔを主成分とし、Ｉｒを２〜９８質量％含有させることができる。この合金は、Ｉｒの添加により発火部の耐熱性が向上し、耐火花消耗性が特に良好である利点がある。ただし、Ｉｒ含有量が２質量％未満では上記効果が不十分となり、９８質量％を超えると、Ｉｒの高温での酸化揮発が進みやすくなり、発火部の耐酸化消耗性が不十分となる場合がある。
【００１６】
４：Ｉｒ−Ｎｉ合金
Ｉｒを主成分とし、Ｎｉを２〜３０質量％含有させることができる。この合金は、Ｉｒを主成分とすることで発火部の耐熱性が向上し、耐火花消耗性が良好である利点がある。また、Ｎｉを含有していることで溶接部の耐剥離性を向上させる利点がある。ただし、Ｎｉ含有量が２質量％未満では、溶接部の耐剥離性が不十分となる場合があり、Ｎｉ含有量が３０質量％以上では、合金の融点が低下して耐火花消耗性が不十分となる場合がある。
【００１７】
なお、Ｉｒを主体とするもの以外を用いてもよい。例えば、Ｐｔ−Ｎｉ合金、即ち、Ｐｔを主成分とし、Ｎｉを２〜４０質量％含有させることができる。この合金は、溶接部の耐剥離性が向上する等の利点がある。ただし、Ｎｉ含有量が２質量％未満では上記効果が不十分となり、４０質量％を超えると合金の融点が低下して、発火部の耐火花消耗性が不十分となる。
【００１８】
そして、火花放電ギャップＧの間隔をｇとし、かつ、中心電極側貴金属チップ３１の火花放電ギャップＧに臨む発火面（中心電極側チップ発火面３１Ａ）の外周縁と、その中心電極側チップ発火面３１Ａと対向する接地電極側貴金属チップ３２の発火面（接地電極側チップ発火面３２Ａ）の外周縁との最短距離をＬとした場合、ｇ≦０．６ｍｍ、かつＬ／ｇ≦１．１の関係ともに満たすように設定される。ｇは上記のごとく０．２ｍｍ以上とすることができ、Ｌ／ｇについては１．０以上とすることができる。なお、ｇを０．２ｍｍ未満とすると、ギャップ間隔が狭すぎるため加工が困難となるとともに、着火性が低下する可能性がある。
【００１９】
図４には、接地電極側貴金属チップ３２のいくつかの例における外周縁位置（エッジ位置）の規定について説明している。図４（ａ）のように厚さ方向の断面外形線が角状となるように形成される接地電極側貴金属チップ３２は、その角状部の頂点、即ち、側面外形線３２Ｂと接地電極側チップ発火面３２Ａの外形線との交点をエッジ位置として規定する。なお、本実施例においては接地電極チップ発火面のエッジ位置（外周縁位置）をＰ_４と示す。また、厚さ方向に切断する断面において、側面外形線３２が曲線部を有する図４（ｂ）ないし図４（ｄ）のようなものについては、以下のようにエッジ位置を規定することができる。図４（ｂ）のように、側面外形線３２Ｂが曲線形状を有し、その側面外形線３２Ｂと接地電極側チップ発火面３２Ａの外形線の接続部が不連続となるものについては、曲面形状を呈する側面と接地電極側チップ発火面３２Ａとの境界、図４（ｂ）の例では曲面外形線３２Ｂと接地電極側チップ発火面３２Ａの外形線との境界をエッジ位置Ｐ_４とする。
【００２０】
図４（ｃ）のように側面外形線３２Ｂが直線となっており、接地電極側チップ発火面３２Ａとの接続部分においてアールが形成されるような場合には、側面外形線３２Ｂと接地電極側チップ発火面３２Ａの外形線とのそれぞれの延長線（延長線Ｘ，Ｙ：図４（ｃ））上における交点をエッジ位置Ｐ_４とみなす。また、側面外形線３２Ｂが曲線であり、かつ接地電極側チップ発火面３２Ａの外形線との接続部分が連続的に形成される、図４（ｄ）のような場合には以下のようにエッジ位置Ｐ_４を定義する。即ち、接地電極側チップ発火面３２Ａの高さＨに対する９０％の高さＨ_９０において電極母材表面４Ａと平行な仮想面を規定し、その仮想面と接地電極側貴金属チップ３２の側面３２Ｂとの交線を外周縁（エッジ）とみなす。図４（ｄ）のような断面においては、電極母材表面４Ａと平行な仮想線Ｌ_９０（仮想面を概念的に示す線）を引いた場合にその仮想線Ｌ_９０と側面外形線３２Ｂとの交点がエッジ位置Ｐ_４となる。
【００２１】
なお、ここでは、接地電極側チップ発火面３２Ａのエッジ位置の規定について説明したが同様の方法にて中心電極側チップ発火面３１Ａのエッジ位置をも規定する。中心電極側貴金属チップ３１が図４（ａ）ないし（ｃ）のような側面及び発火面形状である場合には同様に適用でき、図４（ｄ）のように側面と発火面とが連続的に続く形状である場合には以下のごとく規定する。即ち、中心電極側貴金属チップ３１の軸線方向（当該スパークプラグの軸線方向）におけるチップ３１の後方側端縁（なお、軸線方向において火花ギャップに向かう側を前方側とする）を基点とする高さＨ’の、同一基点からの９０％の高さＨ’_９０におけるその軸線方向と平行な仮想面を規定し、その仮想面と中心電極側貴金属チップ３１の側面との交線を外周縁とする。なお、ここでいう中心電極側貴金属チップ３１後方側端縁は電極母材とチップ３１との境界を意味するが、これら間に溶融部が介在する場合にはその溶融部とチップ３１の境界を意味する。
【００２２】
また、図３のように、接地電極側チップ発火面３２Ａは、接地電極４の電極母材面４Ａから突出する接地電極側貴金属チップ３２の先端面に形成されてなるが、この接地電極側貴金属チップ３２の突出高さＨ（以下、出寸法Ｈともいう）については０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲に調整することが望ましい。このような範囲に調整することにより、放電電圧の一層の低減を図ることができる。なお、図３（ａ）及び（ｂ）のように、中心電極側貴金属チップ３１と接地電極側貴金属チップ３２とが互いに同心的に形成される円形形状のものについては、以下の式により算出される値をエッジ間距離Ｌとみなすようにしてもよい。なお、図３のごとく接地電極側貴金属チップ３２を円形形状とすると、チップ３２の外周縁全体にわたってエッジ間最小距離となるため満遍なく飛火し、偏消耗を抑制することができる。
【００２３】
【数１】

【００２４】
このような式を用いることにより、中心電極側貴金属チップ３１の径ａ及び接地電極側貴金属チップ３２の径ｂに基づいて容易にエッジ間距離Ｌを知ることができ、エッジ間距離Ｌの効率的設定に寄与する。なお、本実施例において、接地電極側貴金属チップ３２の径は、上記方法により規定された接地電極側チップ発火面３２Ａの外周縁の径を意味する。また、中心電極側貴金属チップ３１の径は、同様に中心電極側チップ発火面３１Ａの外周縁の径を意味する。
【００２５】
以下、本発明のスパークプラグの、製造方法の実施例について説明する。
図６に示すように、中心電極３の先端面に上記チップ３１(図１)を構成する合金組成からなる円板状のチップ３１’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により全周レーザー溶接部（以下、単に溶接部ともいう）Ｗ_１を形成してこれを固着することによりチップ３１が形成される。また、対向するチップ３２（図１）は、チップ３１に対応する位置において接地電極４にチップ３２’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_２を形成してこれを固着することにより形成される。
【００２６】
なお、チップがＩｒ系金属の場合は高融点であるため、上記のようなレーザー溶接による接合が望ましいが、Ｐｔ系金属の場合は、Ｉｒ系金属よりは低融点であるため抵抗溶接による接合も可能である。なお、本発明において、中心電極側チップ発火面３１Ａの外径ａは１．０ｍｍ以上とすることができる。このようにすると、チップの耐久性を高めることができる。また、この外径ａを２．０ｍｍ以下とすると上記のようなレーザ溶接において電極母材との溶接状態が良好となる。なお、ａが２．０ｍｍを超えると、溶接による溶融部が内部まで浸透せず剥離が生じる可能性がある。
【００２７】
これらチップ３１’，３２’（以下、チップ３１，３２を総称する場合は、符号「１５０」を用いる場合がある）は、所定の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を、例えば冷間圧延により板材に加工し、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したものや、合金を熱間圧延、熱間鍛造あるいは熱間伸線により線状あるいはロッド状の素材に加工した後、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できる。また、アトマイズ法等により球状に成形したものも使用できる。
【００２８】
図５には、接地電極貴金属側チップ３２の形状のいくつかの例について示している。接地電極側チップ発火面３２Ａの面形状については、例えば、図５（ａ）のような四角形、（ｂ）のような六角形等の多角形形状とすることができる。例えば、四角形とすると、細長板状に形成される貴金属リボンを切断する加工のみにより製造できるため加工が容易となり、かつ、打ち抜き加工等によらずとも製造できるため材料のロスが少ない。
【００２９】
【実験例】
本発明の効果を確認するために、以下の実験を行った。
実験１：スパークプラグを加圧チャンバーに取り付け、チャンバー内の加圧力を０．８ＭＰａに調整し、放電電圧測定試験を机上にて行った。ｎ＝５×１０００発の放電電圧最大値を測定した。結果を表１に示す。なお、表１及び表２においては、中心電極チップ径、接地電極チップ径、ギャップ間隔ｇ、エッジ間距離Ｌの単位が全て（ｍｍ）で表されるものとする。また、以降の実験においては、中心電極側貴金属チップ及び接地電極側貴金属チップについては、図３のような円形形状のものを使用している。
【００３０】
【表１】

【００３１】
なお、サンプル１ないし３においては、接地電極のチップ径ｂを１．６ｍｍ、ギャップ間隔ｇを０．４ｍｍに設定し、かつ中心電極のチップ径を変更することによりＬ／ｇを三段階に設定した。サンプル１と、２及び３とを比較すると、サンプル２及び３のほうが中心電極の径が大きく設定されるにもかかわらず、Ｌ／ｇを小さくすることにより放電電圧を低減できることが確認された。また、サンプル７ないし１０においては、中心電極のチップ径ａを１．０ｍｍ、ギャップ間隔ｇを０．４ｍｍと一定とし、接地電極のチップ径ｂを複数設定してＬ／ｇの異なる複数のサンプルにて実験を行った。
【００３２】
これらの場合においても、Ｌ／ｇの値が小さいほうが放電電圧を低減できることが確認された。さらに、サンプル４ないし６においては、中心電極の径ａ、接地電極の径ｂをともに同一とした場合、即ちＬ／ｇ＝１の場合について、ギャップ間隔の異なる複数のサンプルを用意して放電電圧を調べた。なお、サンプル２についてもＬ／ｇ＝１となっている。これらの場合においては、ギャップ間隔ｇを狭めるにつれて放電電圧が低下することが確認された。
【００３３】
表１において、特にサンプル６及び７を比較すると、サンプル７はサンプル６よりも中心電極を小さくし、ギャップ間隔ｇを狭くしているため、従来においてはサンプル７のほうが放電電圧が低くなると推測されるが、Ｌ／ｇを低く設定することにより中心電極の径を大きくし、ギャップ間隔を広くしても放電電圧を低下させることが可能であることが判明した。
【００３４】
また、サンプル１１ないし１４は、ギャップ間隔を０．８ｍｍとした場合についての例を示している。サンプル１１と１２を比較すると、Ｌ／ｇを小さくすることにより若干放電電圧が低減し、サンプル１３と１４を比較するとＬ／ｇを小さくしても放電電圧の低減が達成されていないこと判る。即ち、ギャップ間隔が０．６を超えると、Ｌ／ｇを調整しても放電電圧低減の効果が得られにくいことが判明した。言い換えれば、Ｌ／ｇによる放電電圧低減効果は、０．６ｍｍ以下のギャップ間隔において特有の効果であることが確認された。
【００３５】
実験２：スパークプラグを３気筒ガスエンジンに取り付けるとともに、燃料に都市ガス１３Ａを用い、１０００ｒｐｍ、１００％負荷、始動１０分後における１０００発データの放電電圧最大値を実機にて測定した。結果を表２に示す。
【００３６】
【表２】

【００３７】
なお、サンプル１５ないし１７においては、接地電極及びギャップ間隔を一定とし、中心電極のチップ径を調整したＬ／ｇの異なる三種のプラグを用意し、サンプル１８ないし２０においては、中心電極のチップ径及びギャップ間隔を一定とし、接地電極のチップ径を調節して、Ｌ／ｇの異なる三種のプラグを用意した。サンプル１６、１７及び２０のごとくＬ／ｇ≦１．１として設定されるものはいずれも放電電圧が２０ｋＶを下回る結果となり、放電電圧低減効果があることが確認された。
【００３８】
実験３：次に、中心電極及び接地電極にともに円形のチップを用い、中心電極のチップ径を１．２ｍｍ、接地電極のチップ径を１．６ｍｍ、ギャップ間隔ｇを０．５ｍｍとした場合において、接地電極の出寸法を０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲内にて異なる出寸法のスパークプラグを複数作成し、出寸法を各々設定した場合における放電電圧最大値を測定した。実験結果を表３に示す。
【００３９】
【表３】

【００４０】
実験結果によれば、出寸法が０．１ｍｍ未満、及び０．５ｍｍを超えると放電電圧が上昇することが確認され、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲に調整することが有用であることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパークプラグの一実施例を示す正面図及びその半断面図。
【図２】その要部を示す拡大断面図。
【図３】貴金属チップ形状の一例について示す側面図及び平面図。
【図４】エッジ位置の規定方法について示す説明図。
【図５】貴金属チップ形状の別例について示す図。
【図６】本発明のスパークプラグの製造方法の一例を示す説明図。
【符号の説明】
３中心電極
４接地電極
３１中心電極側貴金属チップ
３１Ａ中心電極側チップ発火面
３２接地電極側貴金属チップ
３２Ａ接地電極側チップ発火面
１００スパークプラグ
Ｇ火花放電ギャップ

Claims

火花放電ギャップを挟んで対向する中心電極と接地電極と備え、それら電極の各々の前記火花放電ギャップに臨む位置に、貴金属を主体に構成された貴金属チップが固着されてなり、それら中心電極及び接地電極に設けられた貴金属チップの互いに対向する発火面間において前記火花ギャップが構成されるスパークプラグであって、
前記火花放電ギャップの間隔をｇとし、かつ、前記中心電極側の貴金属チップの前記火花ギャップに臨む発火面（以下、「中心電極側チップ発火面」とも言う）の外周縁と、その中心電極側チップ発火面と対向する接地電極側貴金属チップの発火面（以下、「接地電極側チップ発火面」とも言う）の外周縁との最短距離をＬとした場合、ｇ≦０．６ｍｍ、かつＬ／ｇ≦１．１の関係をともに満たすとともに、
前記接地電極側チップ発火面は、前記接地電極の電極母材面から突出する前記接地電極側の貴金属チップの先端面に形成されてなり、該接地電極側の貴金属チップの突出高さが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲に調整されることを特徴とするスパークプラグ。
前記中心電極側の貴金属チップ及び前記接地電極側の貴金属チップの少なくともいずれか一方がＩｒを主体に構成される請求項１に記載のスパークプラグ。
前記中心電極側チップ発火面の外径が１．０ｍｍ以上である請求項１又は２に記載のスパークプラグ。