JP4532802B2 - 内燃機関のための点火プラグ - Google Patents

Description

【０００１】
従来の技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の、内燃機関のための点火プラグに関する。ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６２３９８９号明細書には、絶縁体内の燃焼室側端部に設けられた中央のシリンダ形孔に中心電極が挿入されている点火プラグが記載されている。絶縁体の、燃焼室とは反対側の端部に向かって、中心電極の背後に金属製コンタクトピンが配置されており、このコンタクトピンには、ニッケルまたはニッケル-銀合金から成る層が設けられている。このコンタクトピンは、中心電極と電気的接点を形成している。
【０００２】
発明の利点
請求項１の特徴部に記載の構成を備えた点火プラグはこれに対し、コンタクトピンの耐食性が効果的に、かつ簡単な手段によって改善されるという利点を有する。これにより、点火プラグの運転の確実性が改善される。さらに、中心電極の位置および形状の安定性が保証され、所要点火電圧の上昇を阻止することができる。
【０００３】
請求項２以下に記載の手段によって、請求項１に記載の点火プラグの別の有利な構成と改善が可能である。コンタクトピンの全表面を被覆することは、製造技術上都合がよい。さらに、製造技術上有利には、熱的スパッタリングまたは気相からの析出、特にアリティールングによって被覆が行われ、この手段により、本発明の点火プラグを多数製造することができる。さらに、Al_２O_３保護層が形成されるため、被覆されたコンタクトピンの取り付け前の前酸化が有利であることが明らかである。Ｆｅ-Ｃｏ-Ｎｉ合金からなるコンタクトピンの形成は有利であり、それは、このＦｅ-Ｃｏ-Ｎｉ合金が、絶縁体の平均熱膨張係数と適合するからである。さらに、製造されたコンタクトピンの有利な輸送を可能にするため、コンタクトピンの形状を、燃焼室側端部においてより大きい直径を有するシリンダ形に、特に階段状または円錐形に段付けされるように形成することが有利である。コンタクトピンを簡単なシリンダ形または円錐形に製造することも、製造段階を減じることができるので、同様に有利である。
【０００４】
コンタクトピンの、円錐形に先細りした燃焼室側先端は有利であり、それは、製造の際、コンタクトピンの燃焼室側端部へのより高い圧力負荷が達成されるからである。
【０００５】
図面
本発明の実施例を図面に示し、以下に詳細に説明する。
【０００６】
図１は、本発明の点火プラグの概略的な縦断面図である。
【０００７】
図２は、本発明のコンタクトピンの概略的な縦断面図である。
【０００８】
図３は、本発明のコンタクトピンと貴金属電極の概略的な縦断面図である。
【０００９】
図４は、本発明のコンタクトピンの別の実施例の概略的な縦断面図である。
【００１０】
図５から８は、それぞれ、本発明のコンタクトピンの形状の、別の実施例の概略的な縦断面図である。
【００１１】
図９は、本発明のコンタクトピンの燃焼室側先端の概略的な縦断面図である。
【００１２】
図１０は、９００℃で空気にさらした場合の、被覆されていないコンタクトピン、ニッケル被覆されたコンタクトピン、および本発明のアリティールングによって処理されたコンタクトピンの、直径増加と時間との関係を表した線図である。
【００１３】
実施例の説明
図１に、本発明の点火プラグ１の縦断面図が概略的に示されている。金属製の筒形ケーシング５内に、セラミックス製の絶縁体１０が配置されており、この絶縁体１０の燃焼室側端部は、外径が小さくなっており、いわゆる絶縁体基部１２を形成している。プラグケーシング５および絶縁体１０の回転対称軸線は等しく合致するように位置している。絶縁体１０の、燃焼室とは反対側の端部においてシリンダ形開口に埋設された接続スタッド１５の軸線も、同様に等しく合致するように位置している。絶縁体１０のシリンダ形開口内には、接続スタッド１５の背後に、燃焼室に向かって１つまたは複数の粉末混合物パッケージ１７と１つのコンタクトピン２０と１つの貴金属電極２５とが、一列に配置されている。貴金属電極２５は通常、中心電極と呼ばれている。中心電極２５およびコンタクトピン２０の回転対称軸線は、絶縁体底部１２の軸線と等しく合致している。プラグケーシング５には、アース電極３０が設けられており、このアース電極３０は、中心電極２５の方向に曲げられている。中心電極２５とアース電極３０との間の空間は、火花ギャップ３５と呼ばれる。
【００１４】
コンタクトピン２０と、１つまたは複数の粉末混合物パッケージ１７とを介して、貴金属中心電極２５と接続スタッド１５との間に電気的接点が形成されており、この場合、粉末混合物パッケージ１７は薄い金属層が貫通しているガラス材料パッケージであり、特定の電気的な抵抗を有していて、同時に、絶縁体の開口内での、接続スタッド１５とコンタクトピン２０との固定も保証する。絶縁体１０は、、周囲およびエンジン室の影響から内部を保護していて電気絶縁作用を有するセラミックス材料から成る。
【００１５】
コンタクトピン２０は金属、有利には鉄を主成分とする合金、例えば鉄-ニッケル-コバルト合金（Ｆｅ-Ｎｉ-Ｃｏ合金）から成る。しかし、この合金の耐食性は低い。コンタクトピン２０によって、中心電極２５と粉体混合物パッケージ１７との間の空間的な隔離が保証されなければならない。なぜならば、１つまたは複数の粉体混合パッケージ１７は温度安定性が低い（たった約６００℃まで）ので、絶縁体の先端で生じる高温にさらしてはならないからである。
【００１６】
点火プラグは、燃料空気混合物に点火するための電気エネルギを内燃機関（図示せず）に供給するのに用いられる。このために高電圧が、接続スタッド１５と、粉体混合物１７と、コンタクトピン２０とを介して中心電極２５に導かれ、この中心電極２５によって、中心電極２５とアース電極３０との間にフラッシュオーバーが起こる。火花が有するエネルギによって、燃焼室内の燃料空気混合物が点火され、これにより、さまざまな反応を経て高反応性のガスが生じる。
【００１７】
点火プラグの運転上の問題の１つは、コンタクトピン２０の腐食であり、この腐食は、絶縁体１０と中心電極２５との間の小さいスリットに沿って入り込む高反応性ガスによって起こる。中心電極２５と絶縁体１０との間のスリットが生じるのは、絶縁材料と電極材料とが異なる熱膨張係数を有するからであり、かつ著しい温度変動にさらされるためである。本発明では、腐食を減少させるために、１種または数種の金属アルミニドから成る層が、コンタクトピン２０の表面に被着されている。有利には、金属アルミニド層の厚さは１００μｍまでであるが、より厚いものでも有利である。これにより、腐食による所要点火電圧の上昇を有効に防ぐことができる。エネルギ必要量も小さくなり、点火の確実性が改善される。
【００１８】
図２には、本発明のコンタクトピンの縦断面図が別個に示されている。コンタクトピン２０はシリンダ形状を有しており、コンタクトピン２０の、燃焼室とは反対側の端部の直径はより大きくなっており、小さい方の直径を有する領域から円錐形に段付けされている。コンタクトピン２０の燃焼室側端部は円錐形に先細りしていて、かつ球面になるように潰された先端を有しており、これにより、燃焼室側端部のカバー面３７が形成されている。気相からのアルミニウムの析出によって、コンタクトピン２０の表面には、１種または数種の金属アルミニド（Metall-Aluminide）からなる層が形成され、この層は、図２では太線で示されている。金属アルミニドは、金属とアルミニウムから成る金属間化合物である。Ｆｅ-Ｎｉ-Ｃｏ合金から成るコンタクトピン２０の有利な使用においては、これに相応に、１種または数種のＦｅ-Ｎｉ-Ｃｏアルミニドが形成される。有利には、層の厚さは２０〜７０μｍである。金属アルミニド層４０は、少なくともコンタクトピン２０の、燃焼室側のカバー面３７に形成されており、少なくともコンタクトピン２０の、燃焼室側のカバー面３７から長さ１ｍｍ以上の位置まで形成される。
【００１９】
この金属アルミニド層４０によって、コンタクトピン２０の耐食性は明確に大きくなる。コンタクトピン２０への原子状アルミニウムの拡散によって形成された金属アルミニド層４０の保護作用は、外表面に形成、結合、かつ固着されている非常に薄いAl_２O_３層に基づく。この層は、非常にゆっくりと成長するため、その下にあるアルミニドおよび基部の金属を腐食から保護する。局部的なAl_２O_３層の損傷、例えば剥離が起こった場合には、アルミニドに含まれるアルミニウムによって新たにAl_２O_３層が形成される。これにより、コンタクトピン２０の被覆表面の自己回復性のある不動態化が保証される。
【００２０】
図３には、図２で示した本発明のコンタクトピン２０の概略的な縦断面図が、中心電極２５と共に再度示されている。コンタクトピン２０の、燃焼室側のカバー面３７が金属アルミニド層４０で被覆されているため、運転条件下では、つまり１０００℃までの温度においては、貴金属中心電極２５と、コンタクトピン２０の、中心電極２５側のカバー面３７とが接触する場合、１種または数種のもろい貴金属アルミニウム化合物が形成される。有利には、中心電極２５は、白金もしくは白金合金から成っているので、このコンタクトピンのカバー面３７には、１種または数種のもろい白金アルミニウム化合物が形成される。コンタクトピン２０のカバー面３７でのもろい化合物の形成が有利であるのは、中心電極２５とコンタクトピン２０との熱膨張係数の相違による、熱的サイクルで起こる長さ変化が著しい場合に、中心電極２５とコンタクトピン２０との間の移行領域にスリット形成が可能になるからである。このようなスリットは、図３では符号４２で示されている。中心電極２５とコンタクトピン２０との間の摩擦接続は、スリット４２によって妨げられる。このように、中心電極２５の、位置および形状の安定性を保証することができ、これにより、所要点火電圧の上昇が阻止される。特に、最終的に貴金属アルミニウム化合物を形成する金属アルミニド層の厚さが１００μｍより大きい場合、スリットの形成がはっきりしている。中心電極２５とコンタクトピン２０との間の電気的接点形成は、点火プラグ内に生じる所定の電圧で常に起こっている。
【００２１】
別の実施例が図４に示されている。同様の形状を有するコンタクトピン２０の概略的な縦断面図が図２と同様に示されている。この場合、コンタクトピン２０の全表面が、金属アルミニド層４０によって被覆されている。図２と同様に、太線は金属アルミニド層４０を表している。この場合も符号３７は、燃焼室側のコンタクトピン２０のカバー面を示している。
【００２２】
本発明のコンタクトピン２０は、沿面火花放電型点火プラグ（Gleitfunkenzuendkerzen）、直接火花放電型点火プラグ（Luftfunkenzuendkerzen）、および直接・沿面火花放電型点火プラグ（Luft-Gleitfunkenzuendkerzen）において使用することができる。この場合、本発明のコンタクトピン２０は、図２および図４に示されている形状とは別の形状を有していてもよい。例えば、図２および４の両コンタクトピン２０の直径はいずれも任意に選択することができる。両領域（大きい直径を有する領域および小さい直径を有する領域）の長さ、および両領域間の円錐形の移行部の長さは規定されていない。コンタクトピン２０の、円錐形に延びている燃焼室側の先端の長さも、任意に選択することができる。同様に、燃焼室側のカバー面３７の直径も、任意選択が可能である。したがって、コンタクトピンは、点火プラグの寸法設定および製造の所与性に最適に適合させることができる。
【００２３】
図５には、別の実施例の縦断面が示されている。図２の実施例と比較すると、このコンタクトピン２０は円錐形に先細りになっている先端を有しておらず、カバー面３７の直径は、燃料室側のシリンダ形領域の直径より小さくなってはいない。つまり、燃料室側のカバー面３７の直径は、シリンダ形の燃焼室側領域の直径と等しい。また、図６に示されたような別の実施例も考えられる。ここでは、燃料室側のシリンダ形領域と、燃焼室とは反対側のより大きい直径を有するシリンダ形領域との移行部は、階段状に形成されている。図７に示された別の実施例においては、コンタクトピン２０の直径はどこも等しい。
【００２４】
同様に、図８に示されているように、円錐台形のコンタクトピン２０の実施例も可能である。図６から図８の実施例の燃焼室側先端は、図２で説明され、かつ図９に再度別個に縦断面図で示されたような形であってもよい。図９のように、コンタクトピン２０の燃焼室側先端が円錐形に先細りしていて、燃焼室側カバー面３７の直径が、カバー面３７に至るまでの領域より小さくなっていてもよい。
【００２５】
コンタクトピン２０の、アルミニウムを含有した表面被覆部分、つまり金属アルミニドのために必要なアルミニウムの析出は、熱的スパッタリング、もしくは気相からの物理的析出（物理蒸着法、ＰＶＤ）または化学的析出（化学蒸着法、ＣＶＤ）によって行うことができる。有利には、アルミニウムの析出は、ＣＶＤ法によって、特にアリティールング（Alitierung）によって行われる。
【００２６】
アリティールングとは、熱化学的処理によって、加工物の境界層にアルミニウムを添加する方法である。この場合、加工物を例えば、高濃度のAl_２O_３と、アルミニウムを含有するドナー合金と、ハロゲンを含有する活性化剤とから成る粉体層に埋め込む。原子状アルミニウムの析出は、化学反応を経て、多段階に、０．０１から１０ＭＰａの圧力、９００℃から１１００℃の温度で１０時間まで、水素含有雰囲気中で行われる。粉体層には、多数のコンタクトピンを埋設することが可能であり、したがってアリティールングは、低コストで行うことができる。しかし、アリティールングは粉体層を用いずに行うこともでき、この場合、輸送可能であってガス状のアルミニウム化合物、つまりハロゲン化アルミニウムを、コンタクトピン２０の被覆が行われる場所に関係した別の場所に生ぜしめ、水素ガス含有流によって被覆箇所に輸送する。輸送可能なアルミニウム化合物は、アルミニウムを含有するドナー合金とハロゲンを含有する活性剤とから成る。この場合、輸送可能なアルミニウム化合物を発生させる場所、およびコンタクトピンを被覆する場所は、それぞれが異なる容器に配置されるように分離させることも可能である。しかし、これらの場所は同じ容器内にあってもよい。
【００２７】
コンタクトピン２０の取り付けの前に、付加的に、被覆されたコンタクトピン２０の酸化段階を優先的に行うこともできる。この前酸化によって、コンタクトピン２０の取り付け前に、前述の不動態化したAl_２O_３層が形成される。この酸化は、５００℃から１２００℃の温度で、１００時間まで、酸素含有雰囲気中で行われる。
【００２８】
図１０では、線図に基づき、金属アルミニド層４０の前述の作用が示されている。この線図では、コンタクトピンを温度９００℃で空気にさらした場合の、コンタクトピンの直径増加が示されている。検査されたコンタクトピンの直径増加（単位はμｍ）と、コンタクトピンをさらした時間（単位は時間）との関係が示されている。ここで、円形の記号は、被覆されていないＦｅ-Ｎｉ-Ｃｏコンタクトピンに対する測定値であり、四角の記号は、２０から３０μｍの厚さのニッケル層が設けられているＦｅ-Ｎｉ-Ｃｏコンタクトピンに対する測定値であり、菱形の記号は、アリティールングによって生ぜしめられた２５から６０μｍの厚さのＦｅ-Ｎｉ-Ｃｏアルミニド層が設けられたＦｅ-Ｎｉ-Ｃｏコンタクトピンに対する測定値である。被覆は、それぞれ、コンタクトピンの全表面になされている。明確に分かるのは、被覆されていないコンタクトピン、およびニッケル被覆されたコンタクトピンのかなりの直径増加であり、これに対してアリティールングによって処理されたコンタクトピンの直径増加は小さい。さらに、アリティールングによって処理されたコンタクトピンにおいては、約３００時間後のさらなる直径増加は見られなかった。直径の増加は、それぞれコンタクトピンの腐食によって生じる。アリティールングによって処理されたコンタクトピンでは、Al_２O_３層の形成によってほんの少ししか直径が増加しない。
【００２９】
本発明のコンタクトピンを備えた点火プラグでは、腐食が減少せしめられ、中心電極の位置および形状の安定性が観察された。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の点火プラグの概略的な縦断面図である。
【図２】 本発明のコンタクトピンの概略的な縦断面図である。
【図３】 本発明のコンタクトピンと貴金属電極の概略的な縦断面図である。
【図４】 本発明のコンタクトピンの別の実施例の概略的な縦断面図である。
【図５】 本発明のコンタクトピンの形状の、別の実施例の概略的な縦断面図である。
【図６】 本発明のコンタクトピンの形状の、別の実施例の概略的な縦断面図である。
【図７】 本発明のコンタクトピンの形状の、別の実施例の概略的な縦断面図である。
【図８】 本発明のコンタクトピンの形状の、別の実施例の概略的な縦断面図である。
【図９】 本発明のコンタクトピンの燃焼室側先端の概略的な縦断面図である。
【図１０】 図９００℃で空気にさらした場合の、被覆されていないコンタクトピン、ニッケル被覆されたコンタクトピン、および本発明のアリティールングによって処理されたコンタクトピンの、直径増加と時間との関係を表した線図である。

Claims (13)

1. シリンダ形の開口を有する絶縁体（１０）を備えた点火プラグであって、前記開口内に、貴金属電極（２５）および金属製のコンタクトピン（２０）が配置されており、貴金属電極（２５）が、規定通りに運転されている場合には、内燃機関の燃焼室に突入しており、コンタクトピン（２０）が、貴金属電極の、燃焼室とは反対側の端部に隣接して配置され、かつ電気的接点を形成している形式のものにおいて、
   コンタクトピン（２０）の表面に、１種または数種の金属アルミニド（４０）から成る層が設けられており、熱的サイクルで、コンタクトピン（２０）と貴金属電極（２５）との間にスリットが形成されるものであって、コンタクトピン（２０）と貴金属電極（２５）との間の移行領域に、１種または数種の貴金属アルミニウム化合物が形成されることを特徴とする、内燃機関のための点火プラグ。
2. コンタクトピン（２０）が、金属アルミニド層（４０）を全表面に有する、請求項１記載の点火プラグ。
3. コンタクトピン（２０）がＦｅ-Ｎｉ-Ｃｏ合金から成り、金属アルミニド層（４０）が１種または数種のアルミニド（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏアルミニド）から成っている、請求項１または２記載の点火プラグ。
4. コンタクトピン（２０）と貴金属電極（２５）との間の移行領域に、１種または数種の白金アルミニウム化合物が形成される、請求項１記載の点火プラグ。
5. コンタクトピン（２０）のアルミニウム被覆が、熱的スパッタリング、もしくは気相からの物理的または化学的析出によって行われる、請求項１から４までのいずれか１項記載の点火プラグ。
6. アルミニウム被覆が、コンタクトピン（２０）の境界層における、熱的処理（アリティールング）によるアルミニウム添加である、請求項１から５までのいずれか１項記載の点火プラグ。
7. アリティールングが粉体層で行われる、請求項６記載の点火プラグ。
8. 点火プラグへの取り付けの前に、被覆されたコンタクトピン（２０）に酸化段階が施される、請求項５から７記載の点火プラグ。
9. コンタクトピン（２０）がシリンダ形状を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の点火プラグ。
10. コンタクトピン（２０）が、異なる直径を有していて円錐形に互いに移行し合う２つの領域を有するシリンダ形状をしており、小さい方の直径を有する領域が、コンタクトピン（２０）の燃焼室側端部を形成している、請求項１から８までのいずれか１項記載の点火プラグ。
11. コンタクトピン（２０）が、直径が異なる２つの領域を有するシリンダ形状をしており、両領域は互いに階段状に段付けされており、小さい方の直径を有する領域が、コンタクトピン（２０）の燃焼室側端部を形成している、請求項１から８までのいずれか１項記載の点火プラグ。
12. コンタクトピン（２０）が円錐形に先細りしている先端を有しており、燃焼室側端部が、球面形のカバー面（３７）を形成しており、該カバー面（３７）が、燃焼室側のシリンダ形領域より小さい直径を有している、請求項９から１１までのいずれか１項記載の点火プラグ。
13. コンタクトピン（２０）が円錐台形状を有する、請求項１から８までのいずれか１項記載の点火プラグ。

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