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

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 Download PDF

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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、請求項記載の方法。
JP2001566237A 2000-03-10 2001-01-25 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 Expired - Fee Related JP4709460B2 (ja)

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