JP4709460B2 - 内燃機関に用いられる点火プラグならびに内燃機関の点火プラグに用いられる中心電極を製造するための方法 - Google Patents

Description

【０００１】
背景技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式の、内燃機関に用いられる点火プラグならびに請求項８の上位概念部に記載の、中心電極を製造するための方法から出発する。
【０００２】
既に公知の内燃機関に用いられる点火プラグ（欧州特許第０７８５６０４号明細書）は、電極ベースとプレート状の貴金属チップとから成る中心電極を有している。貴金属チップは電極ベースの燃焼室寄りの端面に固定されている。電極ベースの燃焼室側の端区分は円錐台形の形状を有している。さらに上記欧州特許第０７８５６０４号明細書に基づき、貴金属チップをレーザ溶接または抵抗溶接によって、電極ベースの燃焼室寄りの端面に被着させることが知られている。貴金属チップは白金、イリジウムまたは白金を主体とした合金から成っている。電極ベースはニッケル合金から成っており、この場合、電極ベースは熱伝導性の材料から成るコアを有している。
【０００３】
発明の利点
請求項１の特徴部に記載の特徴を有する、内燃機関に用いられる本発明による点火プラグには、従来のものに比べて次のような利点がある。すなわち、本発明による点火プラグは極めて良好な着火特性を有している。なぜならば、減じられた表面に基づき、燃料・空気混合物（以下、「混合気」と呼ぶ）を点火させたい容積から僅かな熱しか奪われないからである。このような解決手段は廉価に実現可能となる。
【０００４】
請求項２〜請求項７に記載の手段により、請求項１に記載の点火プラグの有利な改良が可能となる。円錐台形状に形成された貴金属チップの開き角が、電極ベースの円錐台形状に形成された燃焼室側の端区分の開き角よりも小さく設定されていると特に有利である。なぜならば、こうして貴金属チップのための材料消費量が最小限に抑えられると同時に、可燃性の混合気を点火させたい容積からの熱放出も最小限に抑えられるからである。電極ベースの燃焼室側の端区分は、この端区分が第１の円錐台形状の範囲と第２の円錐台形状の範囲とを有するように形成されていると特に有利である。こうして、可燃性の混合気を点火させたい容積からの熱放出は一層減じられる。開き角を電極ベースの基本直径に正しく適合させるためには、第１の円錐台形状の範囲と、この第１の円錐台形状の範囲に続いている貴金属チップとの開き角が、第２の円錐台形状の範囲の開き角よりも小さくなるように開き角が形成されていると有利である。さらに、耐損耗性を有しかつ貴金属から成っている範囲を拡大させることが有利である。すなわち、第１の円錐台形状の範囲と、この第１の円錐台形状の範囲に燃焼室の方向に向かって続いている貴金属チップの範囲とを、第１の円錐台形状の範囲の開き角が燃焼室へ向かって開くように形成することが有利である。この第１の円錐台形状の範囲はこの場合、軽度に、つまり最大３５゜までの角度で、燃焼室の方向へ向かって拡開している。したがって、可燃性の混合気を点火させたい範囲からの熱放出が著しく増大させられることなく、耐損耗性の向上が達成される。
【０００５】
請求項８の特徴部に記載の特徴を有する、内燃機関の点火プラグに用いられる中心電極を製造するための本発明による方法は、従来のものに比べて次のような利点を有している。すなわち、電極ベースの支持材料における貴金属先端部の付着強度が改善される。請求項９以下に記載の手段により、請求項８に記載の、内燃機関の点火プラグに用いられる中心電極を製造するための方法の有利な改良が可能となる。貴金属チップを抵抗溶接またはレーザ溶接のような簡単な手段によって電極ベースに固定することが特に有利である。さらに、電極ベースの燃焼室側の端面を、貴金属チップの固定前に、この端面が平坦になるように切削加工することが有利である。なぜならば、こうして貴金属チップの正確に規定された固定が行われ、ひいては貴金属チップと電極ベースとの間の範囲の正確な位置特定（Ｌｏｋａｌｉｓａｔｉｏｎ）が行われるからである。さらに、貴金属チップと、電極ベースの燃焼室側の端区分との切削加工を、電極ベースの燃焼室側の端区分が第１の円錐台形状の範囲と第２の円錐台形状の範囲とを有するように行うことが有利である。したがって、一方では貴金属チップの良好な付着強度が保証され、他方では中心電極の放熱性表面が最小限にまで減じられることが保証されている。
【０００６】
実施例の説明
点火プラグの原理的な構造は公知先行技術に基づき十分に知られており、たとえばＢｏｓｃｈ−Ｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅｎ Ｕｎｔｅｒｒｉｃｈｔｕｎｇ「Ｚｕｅｎｄｋｅｒｚｅｎ」（Ｒｏｂｅｒｔ Ｂｏｓｃｈ ＧｍｂＨ、１９８５年）から知ることができる。上記刊行物の記載によれば、点火プラグは金属製の管状のハウジング（「主体金属」とも呼ばれる）を有しており、このハウジングは半径方向対称的である。この金属製のハウジングの対称軸線に沿って設けられた中心の孔内には、絶縁体が配置されている。この絶縁体は同軸的に延びている。絶縁体の長手方向軸線に沿って延びる中心の孔内では、燃焼室側の端部に中心電極が配置されている。この中心電極は絶縁体の燃焼室側の端部で前記孔から突出している。中心電極の、燃焼室から遠い方の端部では、絶縁体に設けられた前記孔内にホットプレスされた導電性のガラスシールが配置されており、このガラスシールは、同じく絶縁体の中心の孔内に配置されている接続ピンに中心電極を接続している。金属製のハウジングの燃焼室側の端部には、さらに１つまたは複数の接地電極が配置されている。接続ピンと、導電性のガラスシールと、中心電極とを介して点火プラグの燃焼室側の端部にまで到達する電気的なエネルギは、中心電極と前記接地電極との間に飛火する火花を発生させ、この火花により燃焼室内に存在する混合気が点火される。
【０００７】
中心電極は、欧州特許第０７８５６０４号明細書に記載されているように、電極基体もしくは電極ベースと、この電極ベースの燃焼室側の端部に配置された貴金属チップとを有している。この貴金属チップは電極ベースの燃焼室側の端面に取り付けられている。電極ベースはニッケルを主体とした合金から成っており、それに対して貴金属チップは白金またはイリジウムまたは白金を主体とした合金またはイリジウムを主体とした合金から成っている。図１０には、このような中心電極の縦断面図が概略的に図示されている。図面中、符号５が電極ベースを示しており、符号８が貴金属チップを示している。欧州特許第０７８５６０４号明細書には、さらに、貴金属チップ８を抵抗溶接またはレーザ溶接によって電極ベース５に被着させることができることが記載されている。
【０００８】
貴金属チップ８を電極ベース５に被着させるプロセスの間、貴金属チップ８が不均一な温度分布を有しかつ軟化することに基づき、電極ベース５と貴金属チップ８との間の移行範囲には２つの区分が生じる。このことは第１に外側の区分であり、この外側の区分はこの移行範囲の外周寄りに位置しており、この場合、この外側の区分は図１０では太い実線につき符号１１で示されている。第２に、電極ベース５と貴金属チップ８との間の移行範囲は内側の区分を有しており、この内側の区分は貴金属チップ８もしくは電極ベース５の長手方向軸線寄りで外側の区分１１に続いているか、もしくは外側の区分１１によって取り囲まれている。内側の区分は図１０では太い破線につき符号１２で示されている。図１０はこの場合、中心電極の概略的な縦断面図である。外側の区分１１は、貴金属チップ８と電極ベース５との間の結合を形成するプロセスの後に、ノッチならびに微小亀裂を有しており、これらのノッチならびに微小亀裂は、被着プロセスの間の不均一な温度分布と、貴金属チップ８の軟化とに基づいて生ぜしめられる。さらに、外側の区分１１では内側の区分１２に比べて鉛直方向の延在長さで見た拡散ゾーンが減じられているので、外側の区分１１における電極ベース５と貴金属チップ８との間の移行範囲の組成は、内側の区分１２における組成とは異なってしまう。外側の区分１１はそのマイクロ構造および組成に基づき、特に高い熱応力負荷を受けるという特徴を有している。このような外側の区分１１は電極ベース５における貴金属チップ８の付着強度を減少させてしまう。
【０００９】
ところで、図１には、内燃機関の点火プラグに用いられる中心電極を製造するための本発明による方法が概略的に図示されている。図１ａには貴金属チップ８が縦断面図で示されており、この場合、貴金属チップ８は板状に形成されている。貴金属チップ８の燃焼室寄りの端面は符号８２で示されており、貴金属チップ８の燃焼室とは反対の側の端面は符号８４で示されている。さらに、図１ａには、電極ベース５も縦断面図で示されている。電極ベース５の燃焼室寄りの端面は符号５１で示されている。電極ベース５はほぼ円筒状に形成されている。図１ｂには、貴金属チップ８が被着された後の中心電極の状態が示されている。この場合、抵抗溶接またはレーザ溶接によって、貴金属チップ８の燃焼室とは反対の側の端面８４が電極ベース５の燃焼室寄りの端面５１に結合されている。有利な実施例では、電極ベース５の燃焼室寄りの端面５１は溶接ステップの前に切削加工され、この場合、電極ベース５の燃焼室寄りの端面５１は平坦になるように切削加工される。有利な切削加工法としては、研削加工、旋削加工またはフライス加工が挙げられる。精密加工のためには、さらにホーニング加工、ラッピング加工またはバニシ仕上げ加工（Ｇｌａｅｔｔｅｎ）を使用することができる。溶接の後に、貴金属チップ８と電極ベース５の燃焼室側の端区分１５とが円錐状に旋削加工され、この場合、図１０に示した、貴金属チップ８と電極ベース５との間の移行範囲の外側の区分１１が除去される。旋削加工とは、回転対称的なワークまたはワーク面を切削加工するための方法を意味し、この場合、ワークは回転し、ワークの加工を実施する旋削バイトは軸方向または半径方向の送り運動（ワークの回転軸線に対して）を実施する。中心電極はその後に、図１ｃに示したような形状を有する。貴金属チップ８の直径は図１ｂに示した貴金属チップに比べて減径されており、電極ベース５の燃焼室側の端区分１５は円錐台形状の形状を有している。電極ベース５の燃焼室寄りの端面５１の直径は、貴金属チップ８の燃焼室とは反対の側の端面８４の直径に相当している。これによって、第１に外側の区分１１が除去されていること、そして第２に中心電極の燃焼室側の表面が減じられていることが保証されている。これにより、混合気を点火させたい燃焼室の容積からあまり熱が取り出されなくなる。このことは、特に著しく希薄化された混合気に関して、点火プラグの着火特性を改善する。
【００１０】
本発明の別の実施例では、電極ベース５の燃焼室側の端区分１５および貴金属チップ８の前記ジオメトリ（幾何学的形状）が、ワークを切削加工するための別の方法、たとえば研削加工およびフライス加工によって形成される。すなわち、外側の区分１１は上に挙げた別の切削加工法によって除去される。最終加工または精密加工のためには、さらにホーニング加工、ラッピング加工またはバニシ仕上げ加工を使用することができる。有利な１実施例では、貴金属チップ８の燃焼室側の端面８２の直径が、切削加工によって最大５０％だけ減径される。すなわち、貴金属チップ８の燃焼室側の端面８２の直径は、切削加工の前では、切削加工の後の直径の最大でも２倍の大きさを有している。
【００１１】
「錐体」（錐体は「円錐体」とも呼ばれる）とは、固定点Ｓを通って延びる１本の直線を円形の曲線に沿って滑らせた場合にこの直線によって取り囲まれた体積により形成される三次元の物体を意味する。この場合に円錐頂点を成す点Ｓは前記円形の曲線上には位置していない。このような円錐体は図１１ａに片側から見た図で示されている。次に、この円錐体が円錐頂点Ｓに向かい合って位置する底面Ｇに対して平行な面で切断されると、円錐台形体が生じる。円錐台形体は円錐頂点を有しておらず、底面Ｇを有している。このような円錐台形は図１１ｂに図示されている。
【００１２】
図２には、本発明による点火プラグの中心電極のための別の実施例が示されている。この中心電極はやはり縦断面図で概略的に図示されている。図２の実施例では、図１ｃに示した中心電極とは異なり、貴金属チップ８も円錐状に旋削加工されている。すなわち、貴金属チップ８は同じく円錐台形状の形状を有している。電極ベース５の燃焼室側の端面５１の直径は、貴金属チップ８の燃焼室とは反対の側の端面８４の直径に相当している。貴金属チップ８の円錐台形の開き角２３と、電極ベース５の燃焼室側の端区分１５の円錐台形の開き角２１とは、図３に拡大して図示したように互いに異なっている。電極ベース５の燃焼室側の端区分１５の開き角２１は最大１８０゜までの角度を成していると有利であり、貴金属チップ８の開き角２３は最大９０゜の角度を成していると有利である。貴金属チップ８の開き角２３が０〜４５゜に、電極ベース５の燃焼室側の端区分１５の開き角２１が８０〜１１０゜にそれぞれ設定されることが特に有利であることが判っている。
【００１３】
図４には、本発明による点火プラグの中心電極のさらに別の実施例が縦断面図で概略的に図示されている。この実施例では、貴金属チップ８と、電極ベース５の燃焼室側の端区分１５とが次のように旋削加工されている。すなわち、貴金属チップ８と、電極ベース１５の燃焼室側の端区分１５の第１の円錐台形状の範囲１５１とが、第１の円錐台形体を形成し、そして電極ベース１５の燃焼室側の端区分１５の第２の円錐台形状の範囲１５２が第２の円錐台形体を形成している。この場合にも、外側の区分１１は旋削除去されているか、または上で説明したように別の切削加工法を用いて加工されている。電極ベース５の燃焼室寄りの端面５１の直径は、貴金属チップ８の燃焼室とは反対の側の端面８４の直径に相当しており、第２の円錐台形状の範囲１５２の燃焼室寄りの端面１５７の直径は、第１の円錐台形状の範囲１５１の燃焼室とは反対の側の端面１５６の直径に相当している。中心電極のこのような構成に基づき、可燃性の混合気を点火させたい容積から熱を奪い取る表面が一層減小させられることが達成される。
【００１４】
図５、図６および図７には、内燃機関に用いられる本発明による点火プラグの中心電極の燃焼室側の端部の平面図が図示されている。図５に示した平面図は、図１ｃに示した点火プラグの中心電極の平面図に相当している。この場合、貴金属チップ８は円錐状に旋削加工または前で述べた別の加工法によって切削加工されておらず、図１ｃの縦断面図に示したように、中心電極の長手方向軸線に対して平行な母線を有する円筒状の形状を有している。図５から判るように、貴金属チップ８は同心的に配置されている。図６は図２に示した点火プラグの中心電極の平面図に相当している。この場合、貴金属チップ８は円錐台形状に形成されているので、この貴金属チップ８の円錐台形により描かれる母線は、円形リングとして平面図に描かれる。図７には、図４に示した点火プラグの中心電極の燃焼室側の端部の平面図が図示されている。まず、図６と同様に貴金属チップ８、つまり貴金属チップ８の燃焼室寄りの端面が円として見えており、そして貴金属チップ８の周面が円形リングとして見えている。次いで、外側に向かってこの円形リングに続いて、第１の円錐台形状の範囲１５１の周面が見えており、さらにその外側には、第２の円錐台形状の範囲１５２が円形リングとして位置している。
【００１５】
図８には、貴金属チップ８および第１の円錐台形状の範囲１５１と、第２の円錐台形状の範囲１５２とを備えた電極ベース５の燃焼室側の端区分１５が、もう一度拡大されて縦断面図で概略的に図示されている。さらに、貴金属チップ８と第１の円錐台形状の範囲１５１とから成る第１の円錐台形体の開き角と、第２の円錐台形状の範囲１５２の開き角とが書き込まれている。この場合、第２の円錐台形状の範囲１５２の開き角は符号２５で示されており、第１の円錐台形体の開き角は符号２７で示されている。これらの開き角はこの場合、開き角２５が１８０゜よりも小さくなるように、そして開き角２７が９０゜よりも小さくなるように形成されている。実験によれば、第１の円錐台形体の開き角２７を０〜４５゜に設定し、かつ第２の円錐台形状の範囲１５２の開き角２５を８０〜１１０゜に設定することが特に有利であることが判っている。これによって、可燃性の混合気を点火させたい容積からの熱放出が特に最小限に抑えられるような、点火プラグの中心電極の特に有利な構成が保証されている。
【００１６】
次に、図９につき、本発明による点火プラグの中心電極のさらに別の有利な実施例を説明する。この場合、図８と同様に、貴金属チップ８と、第１の円錐台形状の範囲１５１と、第２の円錐台形状の範囲１５２とが図示されている。第１の円錐台形状の範囲１５１と貴金属チップ８とから構成された第１の円錐台形体の開き角２８は燃焼室へ向かって開いており、第２の円錐台形状の範囲１５２の開き角２５は、図３および図８に示した開き角と同様に、点火プラグの中心電極の、燃焼室から遠い方の端部へ向かって開いている。電極ベース５の燃焼室寄りの端面５１の直径はこの場合、図４と同様に、貴金属チップ８の燃焼室とは反対の側の端面８４の直径に相当しており、第２の円錐台形状の範囲１５２の燃焼室寄りの端面１５７の直径は、第１の円錐台形状の範囲１５１の燃焼室とは反対の側の端面１５６の直径に相当している。第１の円錐台形体の開き角２８は、最大２５゜までであり、この場合、開き角２８は３〜１０゜に設定されると有利である。したがって、中心電極の燃焼室側の端部の表面が極めて僅かにしか増大させられていないにもかかわらず、貴金属チップ８により体現される耐損耗性の範囲が増大させられていることが保証されている。
【００１７】
有利な実施例では、第１の円錐台形状の範囲１５１の高さが貴金属チップ８の高さを含めて１．５ｍｍよりも小さいか、または１．５ｍｍに等しく形成されている。特に有利な実施例では、第１の円錐台形状の範囲１５１の高さが貴金属チップ８の高さを含めて０．４〜１．０ｍｍである。このような構成に基づき、高い耐損耗性が確保されると同時に、混合気を点火させたい容積からの少ない熱放出も確保されることが保証される。さらに、機能に適した熱導出も保証される。このことは、貴金属チップ８の燃焼室寄りの端面８２の直径が１．５ｍｍよりも小さいか、または１．５ｍｍに等しく形成されることによっても達成される。特に有利な実施例では、貴金属チップ８の燃焼室寄り端面８２の直径が０．５〜１．０ｍｍに設定される。
【００１８】
本発明による点火プラグにより、中心電極の燃焼室側の端部に貴金属チップを使用することに基づき、点火プラグの極めて長い運転時間が達成されることが確保される。この場合、点火プラグの中心電極の製造時に外側の区分１１を旋削除去し、ひいては電極ベースにおける貴金属チップの付着強度に影響が与えられ得ないようにすることによって、貴金属被着物の付着強度が改善される。さらに、中心電極の燃焼室側の端部の図示の構成により、可燃性の混合気を点火させたい容積において小さな表面に基づき、過度に多くの熱が奪われなくなることが確保される。前述したようにして点火プラグ電極を製造することは廉価である。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】 電極ベースおよび貴金属チップを示す縦断面図である。
【図１ｂ】 貴金属チップを電極ベースに被着させた後の点火プラグの中心電極を示す縦断面図である。
【図１ｃ】 貴金属チップと、電極ベースの燃焼室側の端区分とを旋削加工した後の本発明による点火プラグの中心電極を示す縦断面図である。
【図２】 本発明による点火プラグの中心電極の別の実施例を示す縦断面図である。
【図３】 電極ベースの燃焼室側の端区分と貴金属チップとを示す縦断面図である。
【図４】 本発明による点火プラグの中心電極のさらに別の実施例を示す縦断面図である。
【図５】 図１ｃに示した本発明による点火プラグの中心電極の平面図である。
【図６】 図２に示した本発明による点火プラグの中心電極の平面図である。
【図７】 図４に示した本発明による点火プラグの中心電極の平面図である。
【図８】 本発明による点火プラグの中心電極の、電極ベースの燃焼室側の端区分と貴金属チップとのさらに別の実施例を示す縦断面図である。
【図９】 本発明による点火プラグの中心電極の、電極ベースの燃焼室側の端区分と貴金属チップとのさらに別の実施例を示す縦断面図である。
【図１０】 公知先行技術による点火プラグの中心電極を示す縦断面図である。
【図１１ａ】 円錐体を片側から見た図である。
【図１１ｂ】 円錐台形体を片側から見た図である。
【符号の説明】
５ 電極ベース、 ８ 貴金属チップ、 １１ 外側の区分、 １２ 内側の区分、 １５ 電極ベースの燃焼室寄りの端区分、 ２１，２３，２５，２７，２８ 開き角、 ５１ 電極ベースの燃焼室寄りの端面、 ８２ 貴金属チップの燃焼室寄りの端面、 ８４ 貴金属チップの燃焼室とは反対の側の端面、 １５１ 第１の円錐台形状の範囲、 １５２ 第２の円錐台形状の範囲、 １５６，１５７ 端面

Claims (5)

1. 内燃機関に用いられる点火プラグであって、中心電極が設けられており、該中心電極が電極ベース（５）を有しており、該電極ベース（５）の燃焼室寄りの端面（５１）に貴金属チップ（８）が固定されており、電極ベース（５）の燃焼室側の端区分（１５）が円錐台形状に形成されている形式のものにおいて、貴金属チップ（８）が円錐台形状に形成されており、ただし電極ベース（５）の燃焼室寄りの端面（５１）の直径は、貴金属チップ（８）の、燃焼室とは反対の側の端面（８４）の直径に相当しており、電極ベース（５）の燃焼室側の端区分（１５）が、第１の円錐台形状の範囲（１５１）と第２の円錐台形状の範囲（１５２）とを有しており、ただし第１の円錐台形状の範囲（１５１）の燃焼室とは反対の側の端面（１５６）の直径は、第２の円錐台形状の範囲（１５２）の燃焼室寄りの端面（１５７）の直径に相当しており、第１の円錐台形状の範囲（１５１）と、該第１の円錐台形状の範囲（１５１）に燃焼室の方向に向かって続いている貴金属チップ（８）との開き角（２８）が、２５゜よりも小さいか、または２５゜に等しく形成されており、ただし該開き角（２８）は燃焼室の側へ向かって開いていることを特徴とする、内燃機関に用いられる点火プラグ。
2. 内燃機関の点火プラグに用いられる中心電極を製造するための方法であって、電極ベース（５）に貴金属チップ（８）を固定し、この場合、電極ベース（５）の燃焼室寄りの端面（５１）を貴金属チップ（８）の燃焼室とは反対の側の端面（８４）に結合し、これにより貴金属チップ（８）と電極ベース（５）との間の移行範囲が生じる形式の方法において、引き続き、貴金属チップ（８）と、電極ベース（５）の燃焼室側の端区分（１５）とを切削加工し、この場合、貴金属チップ（８）と電極ベース（５）との間の移行範囲のうち、マイクロ構造および／または組成の点で該移行範囲の内側の区分（１２）とは異なる性質を有する外側の区分（１１）を除去することを特徴とする、内燃機関の点火プラグに用いられる中心電極を製造するための方法。
3. 貴金属チップ（８）を抵抗溶接またはレーザ溶接によって電極ベース（５）に固定する、請求項２記載の方法。
4. 電極ベース（５）の燃焼室寄りの端面（５１）を、貴金属チップ（８）の固定前に、該燃焼室寄りの端面（５１）が平坦になるように切削加工する、請求項２記載の方法。
5. 貴金属チップ（８）と、電極ベース（５）の燃焼室側の端区分（１５）とを、第１の円錐台形状の範囲（１５１）と第２の円錐台形状の範囲（１５２）とが生じるように切削加工し、ただしこの場合、第１の円錐台形状の範囲（１５１）の、燃焼室とは反対の側の端面（１５６）の直径は、第２の円錐台形状の範囲（１５２）の燃焼室寄りの端面（１５７）の直径に相当するものとする、請求項２記載の方法。

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