JP4814671B2 - 内燃機関用スパークプラグ - Google Patents

Description

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。

従来、内燃機関用スパークプラグには、接地電極を折り曲げ、中心電極の先端面と対向させて火花放電間隙を形成したものがある。そして、火花放電間隙における飛火によって燃料への着火を行う。そのため、この火花放電間隙において飛火が発生しなくなった時が、スパークプラグの寿命となる。

上記飛火が発生しなくなる原因は多岐にわたるが、その一つとして、過酷環境下における接地電極の異常腐食という問題が存在する。この異常腐食を解決する手段として、接地電極全体をプラチナ（Ｐｔ）−ロジウム（Ｒｈ）合金とする技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

上記開示技術は、接地電極をＰｔ−イリジウム（Ｉｒ）合金で形成した場合にＩｒが異常腐食することに鑑み、接地電極をＰｔとＲｈとによって構成することで、当該異常腐食による不具合の解消を達成している。この開示技術によれば、Ｐｔが異常腐食の原因となる揮発性酸化物を形成する温度は非常に高温であるとされているが、内燃機関によっては例えば１１００℃以上の温度となることもある。そして、実際にこのような環境化において、発汗現象が確認された。
特開２００４−２３５０４１号公報

上記発汗現象はスパッタリング原子の拡散などを要因とするものであり、このような発汗現象によって発汗粒が生じる。この発汗粒は、上記火花放電間隙にブリッジを形成するおそれがあり、結果として、スパークプラグの失火を引き起こす、すなわち上記火花放電間隙における飛火を妨げるおそれがある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、内燃機関用スパークプラグにおいて、接地電極を貴金属合金で形成した場合の発汗現象等の不具合を抑制し、もって、内燃機関用スパークプラグのさらなる長寿命化を達成することを目的とする。

以下、上記課題等を解決するのに適した各構成を項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する構成に特有の作用効果等を付記する。

構成１．本構成の内燃機関用スパークプラグは、中心電極と、当該中心電極を内側の孔部に保持する絶縁体と、当該絶縁体を保持する主体金具と、当該主体金具の先端部に一方の端部が接合され、他方の端部が前記中心電極に対向して前記中心電極との間に火花放電間隙を形成する接地電極とを備えた内燃機関用スパークプラグにおいて、
前記接地電極は、
その母材が、白金を主体とする貴金属合金で構成されており、
さらに、前記母材を、ニッケル合金で被覆し、
前記主体金具と前記接地電極の接合部において、ニッケル成分を有してなるニッケル介在層が形成されていることを特徴とする。

本構成１によれば、接地電極が白金（Ｐｔ）を主体とする貴金属合金で構成されているため、接地電極の疲労折損及び溶損を抑制することができる。なお、Ｐｔを主体とする貴金属合金とは、Ｐｔが主成分となっている合金であり、一例として、Ｐｔ−Ｉｒ合金、Ｐｔ−Ｒｈ合金が挙げられる。

ここで特に、本構成１によれば、Ｐｔ合金からなる母材をニッケル（Ｎｉ）合金で被覆したので、Ｐｔ合金と混合気との間に遮蔽物を構成してＰｔと酸素との接触を遮断することができ、接地電極をＰｔ合金で形成した場合の不具合を抑制することができる。

なお、発汗現象による発汗粒の付着は、接地電極の温度に依存して生じる傾向があり、温度が高すぎる部分や温度が低すぎる部分では起こらない。そこで、「前記母材の表面の所定部位を、Ｎｉ合金で被覆したこと」としてもよい。接地電極は、その形状や使用されるエンジンによって温度分布が相違する。そのため、発汗現象の生じやすい部位は、一義的に決定されず、接地電極の形状及び使用条件（環境）によって異なる。したがって、Ｎｉ合金で被覆すべき部位（所定部位）は、接地電極の形状に応じて適宜設定すればよい。もちろん、接地電極の母材表面全体をＮｉ合金で被覆してもよい。

このように、本構成１によれば、接地電極を貴金属合金で形成した場合の不具合を抑制することができ、結果として、内燃機関用スパークプラグのさらなる長寿命化が達成される。

ところで、貴金属合金から接地電極を構成することは材料が硬いため、その加工は比較的困難とされる。この場合は、接地電極の長手方向に対する基端側側面を主体金具と接合し、主体金具の接合面を中心電極の軸線方向に対し傾斜させて形成することが望ましい。このようにすれば、接地電極がもともと傾斜して接合されるため、少ない曲げ加工で接地電極が形成できる。また、主体金具との接合面が比較的大きくなるように構成すれば、接地電極の接合部分における耐久性をも向上させることができる。

さて、貴金属合金から接地電極を構成すると、使用条件によっては、一般に軟鉄から形成された主体金具と接地電極との接合界面に酸化が進行する場合がある。接合界面に酸化が進行すると、接地電極が中心電極から離間する方向へ移動してしまう現象（以下「起き上がり現象」という）が起こり、接地電極と中心電極との火花放電間隙が大きくなってしまうおそれがある。結果として、火花放電間隙において飛火が発生しなくなることが懸念される。

しかしながら、上記接合界面を含めてＮｉ合金で被覆する構成によれば、こうした酸化の進行が抑制されることが確認された。これは、起き上がり現象の発生原因が、使用温度によって、卑金属に接するＰｔが触媒作用をなし、卑金属の酸化を促してしまうためと考えられる。そこで、本構成１では、前記主体金具と前記接地電極の接合部において、ニッケル成分を有してなるニッケル介在層が形成されている。

これにより、発汗現象の発生を抑制できるのみならず、主体金具と接地電極との接合部にＮｉ介在層が形成されているため、接合界面における酸化促進に起因する起き上がり現象により火花放電間隙が大きくなってしまうことを抑制できる。したがって、火花放電間隙の増大スピード（成長率）を緩やかにすることができ、スパークプラグの寿命をより長くすることができる。

なお、スパークプラグの寿命の向上という観点からは、次の構成を採用するとよい。

構成２．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１において、前記接地電極のうち、少なくとも前記中心電極に対向して前記火花放電間隙を形成する対向面は、前記貴金属合金の前記母材が露出していることを特徴とする。

中心電極に対向して火花放電間隙を形成する接地電極の対向面（放電面）は、火花放電間隙の成長を抑えるという意味において、貴金属合金によって構成することが望ましい。これは、Ｎｉ合金等では、貴金属合金に比べ、火花放電による消耗が早く、火花放電間隙の成長率が高くなってしまうためである。この点、本構成２によれば、少なくとも中心電極に対向する接地電極の対向面は貴金属合金の母材が露出しているため、火花放電間隙の成長を抑えることができ、内燃機関用スパークプラグのさらなる長寿命化に寄与する。なお、火花放電を生じる母材（Ｐｔ合金）が露出した部位においてもＰｔの触媒作用による反応は進行して発汗粒は発生し得るが、継続的に火花放電が生じているため、発汗粒が成長することはなく、火花放電間隙にブリッジが形成されるおそれはない。

構成３．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１又は２において、前記火花放電間隙が、０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする。

上記構成３では、火花放電間隙が０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の範囲となっている。このようなスパークプラグは、絶縁破壊強度が高いガスエンジンなどに使用され、接地電極が非常に厳しい環境下に置かれるため、上記各構成による効果が際立つ。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、例えばコージェネレーションシステムなどのガスエンジンに使用される「内燃機関用スパークプラグ」としてのスパークプラグ１００の構成を示す説明図である。

図１に示すように、スパークプラグ１００は、主体金具１、絶縁体２、中心電極３、及び、接地電極４等を備えている。また、特に符号を付さないが絶縁体２の後端側（図１の上側）には、抵抗体やガラスシール体を介して中心電極３に電気的に接続された接続端子等を備えている。

主体金具１は、卑金属である軟鉄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、図示しないエンジンのシリンダヘッドにスパークプラグ１００を取り付けるためのねじ部５が形成されている。この主体金具１の先端部１ａは比較的厚肉に形成されており、先端部１ａには、上記接地電極４が接合される、軸線方向ｈに対して傾斜した先端面１１が形成されている。

絶縁体２は、主体金具１の内側に、滑石（タルク）やパッキン等を介して保持されている。絶縁体２は、例えばアルミナからなるセラミック焼結体により構成され、その内部には、軸線方向ｈに沿って、中心電極３を保持するための孔部６が形成されている。

中心電極３は、絶縁体２の孔部６に保持されており、先端面３１を絶縁体２の先端面２１から突出させている。中心電極３の先端面３１は、軸線方向ｈと直交する平面となっている。

接地電極４は、図２からも分かるように、その基端部の一側面４１（基端側側面）が主体金具１の上記先端面１１に溶接され、側面視略「へ」字状に折り曲げられている。かかる構成により、主体金具１との接合面積が十分に確保されており、接地電極４の接合部分における耐久性が向上させられる。また、接地電極４がもともと傾斜した状態で主体金具１に接合されるため、接地電極４の折り曲げ加工が比較的少なくて済む。接地電極４は、その先端部の一側面４２が上記中心電極３の先端面３１と平行になっている。すなわち、中心電極３の先端面３１と接地電極４の先端側の一側面４２とが対向配置されており、これにより、火花放電間隙ｇが形成されている（図２参照）。なお、本実施形態において、この火花放電間隙ｇは、０．２ｍｍに設定されている。そして、この接地電極４は、図２に示すように、ＰＴ合金（例えば、Ｐｔ−Ｉｒ合金、Ｐｔ−Ｒｈ合金など）の「母材」としての電極母材４３がＮｉ合金の被覆層４４で被覆されている。

図３（ａ）は、接地電極４の外観を示す斜視図であり、図３（ｂ）は、接地電極４の縦断面図であり、図３（ｃ）は接地電極４の横断面図である。

図３（ａ）乃至（ｃ）に示すように、接地電極４は、電極母材４３のほぼ全表面を、Ｎｉ合金の被覆層４４で被覆されている。この被覆層４４の形成は、Ｎｉ合金の溶湯を準備しておき、その溶湯の中に電極母材４３をくぐらせることで形成できる。あるいは、電極母材４３にＮｉ合金のメッキを施すことによって形成してもよい。ただし、通常のメッキでは被覆層４４が薄くなってしまうことが懸念されるため、厚膜メッキを行うことが望ましい。

また、図３（ａ）に示すように、接地電極４の先端側の一側面４２（中心電極３の先端面３１との対向面）には、略円形状の母材露出部４５が形成されている。この母材露出部４５は、中心電極３の先端面３１に対応させて上記被覆層４４を削り取った部分であり、ここには、上記電極母材４３が露出している（図３（ｂ）参照）。したがって、上記火花放電間隙ｇは、露出する電極母材４３の表面との間に形成されている。

以上詳述したように、本実施形態のスパークプラグ１００では、接地電極４の電極母材４３が、Ｐｔ合金で形成されている。したがって、接地電極４の疲労折損及び溶損を抑制することができる。加えて、本実施形態によれば、Ｐｔ合金からなる電極母材４３表面にＮｉ合金の被覆層４４が形成されているため、Ｐｔの触媒作用を物理的に抑制することができ、接地電極４をＰｔ合金で形成した場合の不具合を抑制することができる。

具体的には、スパッタリング原子の拡散後の再付着を要因とする発汗現象が生じるという不具合があるが、本実施形態によれば、発汗現象による発汗粒の形成を抑制することができる。これにより、火花放電間隙ｇに発汗粒によりブリッジが形成されるといった不具合を防止できる。なお、本実施形態では、電極母材４３の両方の端部にも被覆層４４が形成されているため、当該端部においても発汗粒の形成を抑制することができる。

また、主体金具１が軟鉄（卑金属）で形成されているため、接地電極４をＰｔ合金とした場合、その接合面１１，４１において卑金属である主体金具１の酸化が促進されるおそれがある。そして、主体金具１の接合面１１が酸化されると、接地電極４の起き上がり現象が起こり、結果として、接地電極４と中心電極３との火花放電間隙ｇが大きくなってしまうことが懸念される。この点、本実施形態によれば、接地電極４の接合面４１がＮｉ合金の被覆層４４で被覆されているため、接合面１１における主体金具１の酸化を抑制することができ、起き上がり現象により火花放電間隙ｇが大きくなってしまうことを抑制できる。

さらにまた、本実施形態のスパークプラグ１００では、中心電極３に対向して火花放電間隙ｇを形成する接地電極４の一側面４２に、母材露出部４５が形成されている（図３（ａ）等参照）。この母材露出部４５は、中心電極３の先端面３１に対応させてＮｉ合金の被覆層４４を削り取った部分であり、ここには、上記電極母材４３が露出している。したがって、火花放電間隙ｇの成長を抑えることができ、内燃機関用スパークプラグのさらなる長寿命化に寄与する。なお、この母材露出部４５の大きさは、中心電極３の先端面３１以上の面積とすることが望ましい。

また、本実施形態では、主体金具１の先端部１ａに軸線方向ｈに対して傾斜した先端面１１が形成されている。そして、接地電極４は、その基端部の一側面４１（基端側側面）にて主体金具１の先端面１１に溶接されている。これにより、主体金具１との接合面積を十分に確保することができ、接地電極４の接合部分における耐久性が向上させられる。また、接地電極４がもともと傾斜した状態で主体金具１に接合されるため、接地電極４の折り曲げ加工が比較的少なくて済む。

さらにまた、本実施形態のスパークプラグ１００は、例えばコージェネレーションシステムなどのガスエンジンに使用されるものである。このようなガスエンジンにおいては、常時運転等によりエンジン負荷の大きな状態が継続し、接地電極４は厳しい環境下に置かれることになる。したがって、上記構成による効果が際立つ。

なお、上述した実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。

上記実施形態では、接地電極４の先端側の一側面４２（中心電極３との対向面４２）に、被覆層４４を削り取った部分である母材露出部４５が形成されていた（図３（ａ）等参照）。これに対し、図４（ａ）に示す接地電極７１のように、先端側の一側面（対向面）７２においても、電極母材７３が被覆層７４で被覆される構成とし、母材露出部を省略してもよい。

また、図４（ｂ）に示す接地電極８１ように、電極母材８３の基端Ｔ１が被覆層８４で被覆されていない構成としてもよい。さらに、図４（ｃ）に示す接地電極９１のように、電極母材９３の基端Ｔ１及び先端Ｔ２が被覆層９４で被覆されていない構成としてもよい。これらの接地電極８１，９１は、Ｎｉ合金のカップ材からクラッド成形を行ったり、ダイス引きを行ったりすることで形成することができる。そのため、接地電極８１，９１の形成が比較的簡単になるという点で有利である。

スパークプラグの構成を示す説明図である。 中心電極及び接地電極の配置関係を示す部分拡大図である。 （ａ）は接地電極の外観を示す斜視図であり、（ｂ）は接地電極の縦断面図であり、（ｃ）は、接地電極の横断面図である。 別実施形態の接地電極の縦断面図である。

符号の説明

１…主体金具、２…絶縁体、３…中心電極、４，７１，８１，９１…接地電極、６…孔部、１１…先端面（接合面）、２１，３１…先端面、４１…一側面（接合面）、４２…一側面（対向面）、４３，７３，８３，９３…電極母材、４４，７４，８４，９４…被覆層、４５…母材露出部、Ｔ１…基端、Ｔ２…先端。

Claims (3)

1. 中心電極と、当該中心電極を内側の孔部に保持する絶縁体と、当該絶縁体を保持する主体金具と、当該主体金具の先端部に一方の端部が接合され、他方の端部が前記中心電極に対向して前記中心電極との間に火花放電間隙を形成する接地電極とを備えた内燃機関用スパークプラグにおいて、
   前記接地電極は、
   その母材が、白金を主体とする貴金属合金で構成されており、
   さらに、前記母材を、ニッケル合金で被覆し、
   前記主体金具と前記接地電極の接合部において、ニッケル成分を有してなるニッケル介在層が形成されていることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
2. 請求項１に記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
   前記接地電極のうち、少なくとも前記中心電極に対向して前記火花放電間隙を形成する対向面は、前記貴金属合金の前記母材が露出していることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
3. 請求項１又は２に記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
   前記火花放電間隙は、０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。

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