JP4906165B2 - 内燃機関用のスパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、自動車、コージェネレーション、ガス圧送用ポンプ等に使用する内燃機関用のスパークプラグに関する。

従来より、自動車等の内燃機関の着火手段として用いられる内燃機関用のスパークプラグがある。
該スパークプラグは、中心電極と接地電極とを有し、その間に火花放電ギャップを設けている。この火花放電ギャップにおける火花放電によって、混合気体に着火する。
そして、火花放電ギャップにおける飛火性、着火性、耐久性等を向上させるべく、中心電極及び接地電極の互いの対向面に、それぞれ貴金属チップを配設してなるスパークプラグがある（特許文献１）。
上記貴金属チップとしては、Ｉｒ（イリジウム）やＰｔ（白金）が使用されている。

しかしながら、近年、内燃機関の高性能化により、燃焼室の温度が高くなる傾向にあり、貴金属チップの耐消耗性をより向上させる必要が生じている。
すなわち、スパークプラグの放電部の温度が例えば１０００℃以上の高温となると、貴金属チップの消耗が加速されるおそれがある。貴金属チップの消耗の原因は、火花エネルギにより電極が瞬間的に溶融することによる消耗と、酸化による消耗とがある。

そして、上記の高温環境下においては、貴金属チップの主成分をＩｒとすると、Ｉｒの酸化揮発による消耗の加速が生じるおそれがある。また、Ｐｔからなる貴金属チップは、火花放電による溶融による消耗が加速するおそれがある。
その結果、近年のスパークプラグの長寿命化の要求に対応することが困難となる場合がある。

そこで、高融点であると共に酸化揮発し難いＲｈ（ロジウム）を使用することにより、火花消耗と酸化揮発との双方を抑制することが考えられる。
ところが、Ｒｈを上記貴金属チップとして用いると、Ｒｈの有する脆いという特性により、燃焼の熱による熱応力により、貴金属チップが割れてしまうおそれがある。割れの主要因としては、粒界割れであると考えられている。すなわち、貴金属チップが高温環境下に曝されることにより、貴金属チップを構成するＲｈが過度に粒成長を起こす。そのために、結晶粒の欠落が生じやすくなり、粒界割れが生じやすくなると考えられる。

特開２００３−３１７８９６号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、耐火花消耗性及び耐酸化性に優れた長寿命の内燃機関用のスパークプラグを提供しようとするものである。

本発明は、互いの間に火花放電ギャップを設けた中心電極と接地電極とを有する内燃機関用のスパークプラグにおいて、
上記中心電極及び上記接地電極の少なくとも一方には、貴金属チップが接合されており、
該貴金属チップは、Ｒｈに、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｃｅの少なくとも一種以上を添加してなるＲｈ基合金からなると共に、Ｓｉの添加量は１重量％以下、ＩｎとＣｅとの合計の添加量は２重量％以下であることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグにある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記スパークプラグにおいては、上記中心電極と上記接地電極との少なくとも一方に、Ｒｈを主成分とした貴金属チップを接合してなる。Ｒｈは高融点であると共に酸化揮発し難いため、上記貴金属チップの耐火花消耗性と耐酸化揮発性との双方を向上させることができる。

また、上記貴金属チップは、主成分のＲｈ（ロジウム）に、Ｓｉ（ケイ素）、Ｉｎ（インジウム）、Ｃｅ（セリウム）の少なくとも一種以上を添加してなる。これにより、貴金属チップを、粒界強度の高い素材とすることができる。そのため、熱応力に対する強度を向上させ、耐久性に優れた貴金属チップを得ることができ、長寿命のスパークプラグを得ることができる。

すなわち、主成分のＲｈに、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｃｅの少なくとも一種以上を含有させることにより、高温下におけるＲｈの結晶粒の成長を抑制して、Ｒｈ結晶粒の粗大化を防ぐことができる。これにより、貴金属チップの粒界割れを抑制し、耐久性の高い貴金属チップを得ることができる。

以上のごとく、本発明によれば、耐火花消耗性及び耐酸化性に優れた長寿命の内燃機関用のスパークプラグを提供することができる。

本発明（請求項１）において、上記内燃機関用のスパークプラグは、例えば、自動車、コージェネレーション、ガス圧送用ポンプ等における内燃機関の着火手段として用いることができる。
また、上記貴金属チップを構成するＲｈ基合金は、Ｒｈに、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｃｅをそれぞれ単独で添加してもよいし、適宜組合わせて添加してもよい。また、ＲｈにＳｉを単独で添加する場合には、Ｓｉの含有量は０．０１重量％以上とすることが好ましい。また、Ｓｉを添加しない場合には、ＩｎとＣｅとを両者の合計が０．２重量％以上となるように、ＩｎとＣｅとを組合わせて、或いは単独で添加することが好ましい。
なお、上記Ｒｈ基合金において、Ｒｈは９０重量％以上であることが好ましい。

また、上記接地電極は、上記貴金属チップを接合してなることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上述した本発明の効果をより有効に発揮することができる。
すなわち、接地電極は、燃焼室におけるより高温となる位置に配置される。そのため、特に接地電極に配設される貴金属チップは、結晶粒の粒成長が生じやすく、また、熱応力がかかりやすいという過酷な環境下にある。そこで、上記のような添加物を含有するＲｈ基合金を、接地電極の貴金属チップに用いることにより、耐久性の大幅な向上を図ることができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる内燃機関用のスパークプラグにつき、図１、図２を用いて説明する。
本例のスパークプラグ１は、互いの間に火花放電ギャップ１１を設けた中心電極２と接地電極３とを有する。
中心電極２及び接地電極３には、それぞれ貴金属チップ２１、３１が接合されている。

貴金属チップ２１、３１は、Ｒｈ（ロジウム）に、Ｓｉ（ケイ素）、Ｉｎ（インジウム）、Ｃｅ（セリウム）の少なくとも一種以上を添加してなるＲｈ基合金からなる。ここで、Ｒｈ基合金における、Ｓｉの添加量は１重量％以下、ＩｎとＣｅとの合計の添加量は２重量％以下であり、残部がＲｈ及び不可避的不純物である。
また、Ｓｉを添加する場合には、０．０１重量％以上含有させ、ＩｎとＣｅとの少なくとも一方を添加する場合には、両者の合計として０．２重量％以上含有させる。

上記スパークプラグ１は、図１に示すごとく、絶縁碍子５と中心電極２と取付金具４と接地電極３とからなる。
上記絶縁碍子５は中心貫通孔５１を有し、中心電極２は、絶縁碍子５の先端から突出する状態で中心貫通孔５１に保持されている。また、取付金具４は、その内側に絶縁碍子５を保持すると共に、その外周に、内燃機関の排気系等にスパークプラグ１を取り付けるための取付け用ネジ部４２が形成されている。接地電極３は、取付金具４に固定されると共に中心電極２との間に火花放電ギャップ１１を形成する。

上記中心電極２は、中心電極母材２０の先端面に貴金属チップ２１を溶接してなる。一方、上記接地電極２は、接地電極母材３０における中心電極２との対向面に貴金属チップ３１を溶接してなる。また、貴金属チップ２１、３１は、それぞれ略円柱形を有している。中心電極２の貴金属チップ２１の直径は０．３〜１．５ｍｍ、軸方向長さは０．２〜１．２ｍｍである。接地電極３の貴金属チップ３１の直径は０．３〜１．５ｍｍ、軸方向長さは０．２〜１．２ｍｍである。
また、中心電極母材２０及び接地電極母材３０はＮｉ（ニッケル）合金からなる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記スパークプラグ１においては、中心電極２と接地電極３とに、Ｒｈを主成分とした貴金属チップ２１、３１を接合してなる。Ｒｈは高融点であると共に酸化揮発し難いため、貴金属チップ２１、３１の耐火花消耗性と耐酸化揮発性との双方を向上させることができる。

また、貴金属チップ２１、３１は、主成分のＲｈに、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｃｅの少なくとも一種以上を添加してなる。これにより、貴金属チップ２１、３１を、粒界強度の高い素材とすることができる。そのため、熱応力に対する強度を向上させ、耐久性に優れた貴金属チップ２１、３１を得ることができ、長寿命のスパークプラグ１を得ることができる。

すなわち、主成分のＲｈに、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｃｅの少なくとも一種以上を含有させることにより、高温下におけるＲｈの結晶粒の成長を抑制して、Ｒｈ結晶粒の粗大化を防ぐことができる（後述する実施例６、図５〜図８参照）。これにより、貴金属チップ２１、３１の粒界割れを抑制し、耐久性の高い貴金属チップ２１、３１を得ることができる。

以上のごとく、本例によれば、耐火花消耗性及び耐酸化性に優れた長寿命の内燃機関用のスパークプラグを提供することができる。

（実施例２）
本例は、中心電極２の貴金属チップ２１が、主成分のＲｈに、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｃｅの少なくとも一種以上を添加してなるＲｈ基合金からなり、接地電極３の貴金属チップ３１がＰｔ（白金）を主成分とした合金からなる例である。貴金属チップ３１におけるＰｔの含有量は５０重量％以上である。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、特に中心電極２の貴金属チップ２１の耐火花消耗性及び耐酸化性、並びに強度を向上させることができる。また、接地電極３の貴金属チップ３１がＰｔを主成分としているため、接地電極３の貴金属チップ３１の耐酸化性を特に確保することができる。特に接地電極３の貴金属チップ３１は高温となりやすいため、Ｐｔを主成分として接地電極３の貴金属チップ３１の耐酸化性を確保することは有効である。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、接地電極３の貴金属チップ３１が、主成分のＲｈに、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｃｅの少なくとも一種以上を添加してなるＲｈ基合金からなり、中心電極２の貴金属チップ２１がＩｒ又はＰｔを主成分とした合金からなる例である。貴金属チップ２１におけるＩｒ又はＰｔの含有量は５０重量％以上である。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、特に接地電極３の貴金属チップ３１の耐火花消耗性及び耐酸化性、並びに強度を向上させることができる。
接地電極３の貴金属チップ３１は、燃焼室におけるより高温となる位置に配置される。そのため、特に接地電極３に配設される貴金属チップ３１は、結晶粒の粒成長が生じやすく、また、熱応力がかかりやすいという過酷な環境下にある。そこで、上記のような添加物を含有するＲｈ基合金を、接地電極３の貴金属チップ３１に用いることにより、耐久性の大幅な向上を図ることができる。

また、中心電極２の貴金属チップ２１がＩｒを主成分としている場合には、貴金属チップ２１の耐火花消耗性を特に確保することができる。そして、中心電極２の貴金属チップ２１がＰｔを主成分としている場合には、貴金属チップ２１の耐酸化性を特に確保することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、図３に示すごとく、接地電極母材３０に貴金属チップ３１を埋め込んだ例である。
すなわち、Ｎｉからなる接地電極母材３０における中心電極２との対向面に、貴金属チップ３１を埋め込むことにより、接地電極３を構成してある。貴金属チップ３１を埋め込む方法としては、例えば抵抗溶接法により接合界面を発熱させる方法がある。

そして、中心電極２の貴金属チップ２１及び接地電極３の貴金属チップ３１は、Ｒｈを主成分とすると共に、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｃｅの少なくとも一種以上を添加してなるＲｈ基合金からなる。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合にも、実施例１と同様の作用効果を有する。

なお、本例のように接地電極３の貴金属チップ３１を接地電極母材３０に埋め込む構成においても、上記実施例２又は３のように、中心電極２の貴金属チップ２１と接地電極３の貴金属チップ３１とのいずれか一方を、上記のＲｈ合金とすることができる。

（実施例５）
本例は、図４に示すごとく、Ｎｉを主成分とする接地電極母材３０のみによって接地電極３を構成した例である。
すなわち、接地電極３は、中心電極２との対向面も、貴金属チップを搭載することなく、Ｎｉを主成分とした接地電極母材３０によって構成してなる。

一方、中心電極２は、接地電極３との対向面に貴金属チップ２１を配設してなる。そして、貴金属チップ２１は、Ｒｈを主成分とすると共に、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｃｅの少なくとも一種以上を添加してなるＲｈ基合金からなる。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合にも、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例６）
本例は、表１に示すごとく、貴金属チップを構成するＲｈ合金の組成を種々変更して、各種Ｒｈ合金につき、耐酸化性、耐火花消耗性等を評価した例である。
まず、耐酸化性試験は、試料を大気中にて１２００℃に２０時間保持することにより行った。尚、評価試料はアーク溶解インゴットより５ｍｍ角の立方体を切り出したものを使用した。そして、試験の前後の試料の重量変化を測定して酸化増量を求め、耐酸化性を評価した。

また、耐酸化性試験の後の試料につき、その断面を金属顕微鏡によって観察した（図５〜図８参照）。そして、試料の断面に表れる結晶粒の大きさを評価した。すなわち、Ｒｈ合金におけるＲｈの結晶粒が、上記の高温雰囲気中において成長して粗大化したか、或いは粗大化が抑制されて微細な結晶組織を維持しているかを観察した。表１において、結晶粒の平均粒径が１０００μｍを超えるのものを「粗大」、平均粒径が１０００μｍ以下のものを「微細」とした。
上記の二つの観測結果から、耐酸化性試験における評価を行った。
そして、重量変化（酸化増量）が±１．０％以内でありかつＲｈ結晶粒が微細である場合を良品（○）とし、それ以外を不良品（×）とした。

また、耐火花消耗性試験は、以下の実機耐久試験により行った。
すなわち、スパークプラグ１における中心電極２の貴金属チップ２１と接地電極３の貴金属チップ３１とを同じ組成のＲｈ合金とすると共に、その添加元素の種類と添加量を表１のように種々変更したものにつき、耐酸化性試験、耐火花消耗性試験を行い、各合金を評価した。貴金属チップ２１、３１の合金組成以外の構成については、上記実施例１と同様の構成のスパークプラグを用いた。
なお、貴金属チップ２１、３１の形状としては、いずれも直径０．５ｍｍ、高さ０．８ｍｍの円柱形状とした。

そして、６気筒、総排気量２０００ｃｃのエンジンに、各スパークプラグを設置し、エンジンを毎分６０００回転（スロットル全開）にて３００時間運転した。そして、この耐久試験によって生じた火花放電ギャップの拡大量を測定した。ギャップ拡大量が０．２ｍｍ以下である場合を良品（○）とし、０．２ｍｍを超える場合を不良品（×）とした。

また、加工性についての評価も行った。すなわち、各試料を上記の貴金属チップの形状に加工する際に、亀裂や割れが生じるか否かによって、加工性の評価を行った。そして、亀裂や割れの生じなかったものを良品（○）とし、亀裂や割れが生じたものを不良品（×）とした。
また、各合金の融点についても測定した。融点については、１９００℃以上であれば耐消耗性を確保できると考えられる。

そして、総合評価として、耐酸化性と耐火花消耗性と加工性との全ての項目において良品（○）と判定されたもののみを、良品（○）と判定し、それ以外を不良品（×）とした。
測定結果、評価結果を表１に示す。
なお、表１において、「ＮＤ」と記した項目は、未測定或いは測定不能であることを示す。また、「添加元素」の欄において、元素記号の前に記載した数値が、その元素の添加量（重量％）である。
また、各試料において、添加元素の残部はＲｈと不可避的不純物である。

表１から分かるように、上記総合評価において良品と判断されるのは、本発明（請求項１）に該当する組成（Ｒｈに、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｃｅの少なくとも一種以上を添加してなり、Ｓｉの添加量が１重量％以下、ＩｎとＣｅとの合計の添加量が２重量％以下）であるもののみであった。

なお、上述した耐酸化性試験後の試料断面の金属顕微鏡写真の一部を、図５〜図８に示す。それぞれ、図５は添加物のないＲｈ金属、図６はＲｈに１．０重量％のＩｎを添加したもの、図７はＲｈに０．０５重量％のＳｉを添加したもの、図８はＲｈに０．５重量％のＣｅを添加したものについての、試験後の断面写真である。

図６〜図８に見られるように、ＲｈにＩｎ、Ｓｉ、又はＣｅを適量含有させてなるＲｈ基合金からなる貴金属チップにおいては、耐久後においても、充分に小さい結晶粒が確認でき、結晶粒の粗大化が抑制されていることが分かる。これに対し、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｃｅを含有していないＲｈからなる貴金属チップにおいては、図５に示すごとく、耐久後において、結晶粒が粗大化してしまった。
このように、ＲｈにＩｎ、Ｓｉ、又はＣｅを適量含有させることにより、貴金属チップの結晶粒の粗大化を抑制することができ、貴金属チップの粒界割れが生じ難い、耐久性に優れた貴金属チップを得ることができる。

本例の結果から、本発明を採用することにより、耐火花消耗性及び耐酸化性に優れた長寿命の内燃機関用のスパークプラグを得ることができることが分かる。

実施例１における、内燃機関用のスパークプラグの一部断面説明図。 実施例１における、スパークプラグの火花放電ギャップ周辺の説明図。 実施例４における、スパークプラグの火花放電ギャップ周辺の説明図。 実施例５における、スパークプラグの火花放電ギャップ周辺の説明図。 実施例６における、添加物のないＲｈ金属の耐酸化性試験後の断面写真。 実施例６における、Ｒｈに１．０重量％のＩｎを添加したものの耐酸化性試験後の断面写真。 実施例６における、Ｒｈに０．０５重量％のＳｉを添加したものの耐酸化性試験後の断面写真。 実施例６における、Ｒｈに０．５重量％のＣｅを添加したものの耐酸化性試験後の断面写真。

符号の説明

１ スパークプラグ
１１ 火花放電ギャップ
２ 中心電極
２１ 貴金属チップ
３ 接地電極
３１ 貴金属チップ

Claims (2)

1. 互いの間に火花放電ギャップを設けた中心電極と接地電極とを有する内燃機関用のスパークプラグにおいて、
   上記中心電極及び上記接地電極の少なくとも一方には、貴金属チップが接合されており、
   該貴金属チップは、Ｒｈに、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｃｅの少なくとも一種以上を添加してなるＲｈ基合金からなると共に、Ｓｉの添加量は１重量％以下、ＩｎとＣｅとの合計の添加量は２重量％以下であることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
2. 請求項１において、上記接地電極は、上記貴金属チップを接合してなることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。