JP6438140B2 - 火炎面まで達するコアを備えた点火プラグ電極を製造するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、点火プラグ電極を製造するための方法に関する。

エンジンはますますダウンサイジングされる傾向にあり、従ってエンジンルーム内自体の個別の構成要素のための取り付けスペースはますます僅かしか提供されない。点火プラグの分野においても、より小さい点火プラグへの要求が増している。自動車産業における傾向は、Ｍ１４点火プラグからＭ１２点火プラグ若しくはＭ１０点火プラグへ移行している。点火プラグをより小さく構成するという必要性以外に、ダウンサイジングエンジンにおいては同時に、点火プラグが運転中に晒される燃焼室条件が変化する。上昇する温度および点火のために必要な上昇する応力に伴って、燃焼室内の圧力が上昇し、それによって、機械的、化学的、熱的および電気的な耐負荷能力及び抵抗性に関する点火プラグの要求も高くなる。このような要求を満たすことができるようにするために、点火プラグのための新たな構造設計並びに点火プラグ構成要素若しくは点火プラグのための新たな製造方法が必要とされる。

例えば特許文献１により公知であるような最新の点火プラグは、溶接されたアース電極およびハウジングに力結合式に結合された碍子を備えたプラグハウジングに基づいている。碍子内で碍子の燃焼室側の端部に中心電極が配置されている。アース電極および中心電極は、空気燃料混合気の燃焼時に燃焼室内に発生する温度によって熱的に負荷される。燃焼室から吸収された熱を、点火プラグ電極からプラグハウジングを介して冷却されたシリンダヘッドにできるだけ迅速に導出するために、点火プラグ電極は、高い熱伝導率を有する材料より成るコア、例えば銅より成るコアを有している。

しかしながら、公知の点火プラグ設計において、特にダウンサイジング使用領域のための点火プラグに対するますます高くなる要求において、従来の銅製コアを介する熱導出は不十分であることは明らかである。例えば特許文献２により公知の押出し成形法等の製造法に基づいて、銅製コアは点火プラグ電極の全長に亘って延在しておらず、しかも点火プラグ電極の燃焼室側の端部に向かって次第に減少する直径を有しており、この場合、点火プラグ電極のこの端部がまさに最大温度に晒されている。

公知の点火プラグ電極における不十分な熱導出に基づいて、点火プラグ電極の温度はその燃焼室側の端部で高くなりすぎ、また点火プラグ電極の摩耗は増大し、これによって点火プラグの早期の故障を引き起こす。

独国特許出願公開第１０２００５０５２４２５号明細書 独国特許出願公開第４４２４７８９号明細書

これに対して、本発明の課題は、改善された熱導出を有していて、それによって上記要求を満たすことができる点火プラグ電極が製造される、点火プラグ電極を製造するための方法を提供することである。

この課題は、本発明によれば第１の請求項の特徴部分による方法によって解決される。

点火プラグ電極のためのベース体は、線材から分離することによって製造され、この場合、線材は、この線材から多数のベース体を製造するために十分な程度に長い。線材は、コアと、このコアを包囲する周壁とを有している。ベース体内で、コアはベース体の全長に亘って延在している、つまりコアは分離後にベース体の端面側でそれぞれ露出している。

本発明によれば、点火プラグ電極のベース体が線材から分離されることによって製造され、この際に線材およびひいてはベース体もコアとこのコアを包囲する周壁とを有していて、コアがベース体の全長に亘って延在していることによって、一方では、従来技術により公知の点火プラグ電極ベース体よりも大きいコア体積およびひいては改善された熱伝導性を有するベース体が製造され、他方では、点火プラグ電極のための製造方法が簡略化される。何故ならば、押し出し成形法によってコアをベース体内に取り付けるための、費用がかかるステップを省くことができるからである。

点火プラグ電極ベース体内のコアが延長されたことによって、点火プラグ電極の燃焼室側の端部から、燃焼室とは反対側の、点火プラグの冷却された構成要素と接触する端部までの点火プラグ電極の熱伝導性は改善される。点火プラグの運転時に発生する、点火プラグの燃焼室側の端部によって吸収される熱は、点火プラグ電極およびハウジングを介して、冷却されたシリンダヘッドにおいてより良好に導出されることが可能で、それによって点火プラグの燃焼室側の端部および点火プラグ電極の火炎面における温度は低下する。それにより、高すぎる温度によって促進された、火炎面および点火プラグ電極における摩耗は減少され、火炎面、点火プラグ電極および点火プラグの耐用年数は全体的に延長される。

本発明の好適な発展形態は従属請求の対象である。

標準的な形式で、ベース体は、分離後で、特に成形の前に、０．５ｃｍより小さくない長さ、および特に６．０ｃｍより大きくない長さ、特に１．０ｃｍより小さくない長さを有している。これによって、ベース体は既に点火プラグ電極のための所望の長さを有していて、ベース体を追加の方法ステップで必然的に点火プラグ電極のための所望の長さに短くするかまたは長くする必要はない、という利点が得られる。

ベース体は円柱形の形状を有しており、この場合、コアが露出する端面は円柱の底面に相当する。ベース体の周壁は円柱の周面を形成する。ベース体の縦軸線は円柱軸線に相当する。円柱の底面若しくは横断面若しくはベース体の端面は、円形、楕円形または多角形、特に四角形であってよい。直径は、それぞれの面の外接円に関連している。

好適な形式で、ベース体のコアは、特にベース体の分離後および考えられ得る成形前に、ベース体の全長に亘って一定の直径を有している。

好適な形式で、線材のコアおよびベース体のコアは、周壁の材料よりも高い熱伝導率を有する材料より成っている。コアは、例えば銅、銀、または銅および／または銀を含む合金、またはイットリウムを含有するニッケル合金より成っている。周壁は、特に周壁の材料よりも高い耐摩耗性を有する材料より成っている。周壁は、例えば、別の添加剤例えばクロム、イットリウムおよび／またはシリコンを含有するニッケル含有合金より成っている。

選択的にまたは追加的に、周壁は複数の層を有しており、特に２つの層から構成されていてよい。この場合、これらの層は、ベース体のコアの周囲に同心的に配置されている。例えば銅または銅合金より成るコアが、ＮｉＹ層およびＮｉＣｒ層を有する材料によって包囲されていてよい。ＮｉＹ層は、コアとＮｉＣｒ層との間に配置されている。３つの材料を比較した場合、ＮｉＣｒ層が最も高い耐摩耗性を有している。ＮｉＹ層の熱伝導率は、銅の熱伝導率とＮｉＣｒ合金の熱伝導率との間である。

線材およびひいてはベース体も、分離後で特に次いで行われる成形ステップの前に、１ｍｍより小さくなく、特に４ｍｍより大きくなく、特に１．５ｍｍより小さくなくおよび／または３．５ｍｍより大きくない直径を有している。

この方法は、特に分離後に、ベース体を少なくとも領域的に成形するステップを有していてよく、したがって、成形前のより大きい直径（ＤＩＮ８５８２）、特に少なくとも５％だけ増大された直径を有するベース体の領域が得られる。押圧成形（ＤＩＮ８５８３−１乃至―６）によって、例えばベース体をその縦軸線に沿って圧縮変形（ＤＩＮ８５８３−３）することによって、より大きい直径を有するベース体の領域が得られる。例えば、この方法ステップによって、中心電極のための電極ヘッドが形成され得る。

選択的にまたは追加的に、この方法は、特に分離後に、ベース体が少なくとも領域的に成形されるステップを有してよく、従って、成形前（ＤＩＮ８５８２）よりも小さい直径を有するベース体の領域が得られ、特に直径が少なくとも５％だけ縮小される。押圧成形（ＤＩＮ８５８３１乃至−６）によって、例えばベース体を縦軸線に対して垂直方向に圧延（ＤＩＮ８５８３−２）することによって、ベース体により小さい直径を有する領域が得られる。例えば、この方法ステップによって、中心電極のための電極脚部が形成され得る。

選択的にまたは追加的に、この方法は、特に分離後および／または成形後に、ベース体の燃焼室側の端面においてベース体が閉鎖体に素材結合によって結合されるステップを有していてよい。素材結合による結合は、抵抗溶接またはレーザ溶接によって、好適にはＣＷモードで運転される例えばファイバーレーザまたはディスクレーザで行われてよい。素材結合による結合のための別の方法も可能である。

閉鎖体は、例えばニッケル含有合金より成っていてよい。追加的に、貴金属を含有する火炎面が閉鎖体またはベース体に配置されてよい。選択的に、閉鎖体自体が貴金属を含有する火炎面であってもよい。

好適な形式で、ベース体は成形時に少なくとも領域的に、ベース体が異なる直径Ｄ１，Ｄ２を備えた少なくとも１つの第１および第２の領域Ｂ１，Ｂ２を有していて、特に第１および第２の領域Ｂ１およびＢ２内においてそれぞれの直径Ｄ１，Ｄ２が一定であるように、成形される。第１および第２の領域Ｂ１、Ｂ２は、特に、少なくともそれぞれの領域Ｂ１，Ｂ２のそれぞれの直径Ｄ１，Ｄ２に相当する長さを有している。

好適な形式で、少なくとも第１および第２の領域Ｂ１，Ｂ２内におけるコアの横断面とベース体の横断面との間の比は、１０％より大きく異なっておらず、特に５％より大きく異なっていない。

アース電極を製造するために、この方法は、ベース体を曲げるステップを有していてよく、それによって、ルーフ形電極、Ｕ字形電極またはサイド形電極が得られる。

さらに、本発明は、点火プラグ電極を製造するための本発明の方法に従って製造された点火プラグ電極に関し、この点火プラグ電極は、コアおよび、このコアを包囲する周壁を備えたベース体を有しており、この場合、コアはベース体の全長に亘って延在している。このことはつまり、コアがベース体の端面から端面に延在している、という意味である。

点火プラグ電極の十分に良好な熱伝導性のために、ベース体の横断面に対するコアの横断面の比がベース体の長さに亘って概ね一定であり、この場合、概ね一定とは、ベース体内の横断面の比が１０％より大きく変化しない、という意味であることが利点として明らかとなった。好適には、コアの横断面は、ベース体の横断面の２０％より小さくなく、および／または８０％より大きくない。ベース体の横断面は、周壁の横断面とコアの横断面との合計に相当する。それぞれ同じ面内の横断面が互いに比較されるかまたは比率が規定される。

ベース体の周壁は、０．１ｍｍより小さくなくおよび／または０．８ｍｍより大きくなく、特に０．２ｍｍより小さくなくおよび／または０．６ｍｍより大きくなく、さらに特に０．３ｍｍより小さくなくおよび／または０．５ｍｍより大きくない層厚ｂを有している。周壁の最小層厚ｂによって、周壁よりも耐摩耗性の低い材料から成るコアが、点火プラグの運転時に発生する化学的な負荷に対して十分に保護されることが保証される。ベース体の全体積におけるコア体積の割合が小さ過ぎることがなく、ひいてはベース体内の熱伝導性が十分に大きくなるように、周壁の層厚は限定される。

ベース体は燃焼室側の端面に閉鎖体を有しており、この閉鎖体はコアと接触していて、特にコアと直接的に接触している。これによって、閉鎖体がコアと熱的に接触することが保証される。閉鎖体は例えばベース体に溶接されている。溶接法として、例えば抵抗溶接、電極光線溶接、または例えばファイバーレーザまたはディスクレーザによるレーザ溶接が使用されてよく、この場合、ＣＷレーザまたはパルス変調されたレーザによるレーザ溶接が実施され得る。閉鎖体は、溶接時に例えば完全に溶融されてよい。

閉鎖体の材料として、例えばベース体の材料と同じまたは類似のニッケル含有合金が使用されてよい。

溶接は、ベース体の周面に沿って行われ、この場合、特にベース体の全周面に沿って溶接継ぎ目が形成され、これによって、閉鎖体はベース体の燃焼室側の端面をできるだけ気密に、つまり１０^−７ｍｂａｒ ｌ／ｓよりも少ない漏れ率で閉鎖し、それによってベース体のコアが保護されている。

好適な形式で、閉鎖体はベース体の端面と面一に構成されている。つまり閉鎖体は、閉鎖体が配置されているベース体の端面と同じ直径を有している。選択的にまたは追加的に、閉鎖体は、閉鎖体が配置されているベース体の端面におけるコアの直径よりも大きい直径を有していてよい。

閉鎖体が、周壁の最小層厚ｂと少なくとも同じ大きさの厚さｄを有していて、この場合、閉鎖体の厚さｄは、閉鎖体が配置されているベース体の端面に対して垂直に測定されることが利点として明らかになった。例えば、閉鎖体は、閉鎖体が配置されているベース体の端面における周壁の層厚ｄと同じかまたはこれよりも大きい厚さｄを有していてよい。

追加的に、点火プラグ電極は貴金属を含有する火炎面を有していてよい。火炎面は、点火プラグ電極の意図した使用に応じて閉鎖体にまたは周面の燃焼室側の端部に配置されていてよい。火炎面は周壁の材料よりも高い耐摩耗性を有している。

選択的に、閉鎖体自体が貴金属を含有する火炎面であってよい。

本発明による点火プラグ電極は、アース電極および／または中心電極であってよい。

また、本発明は、中心電極および／またはアース電極としての少なくとも１つの本発明による点火プラグ電極を有する点火プラグに関する。

点火プラグ電極若しくはベース体の、燃焼室とは反対側の端面は、本発明による点火プラグ電極をアース電極として構成する場合、点火プラグのハウジングに配置されており、この場合、好適な形式で、点火プラグ電極とハウジングとの接続は、ベース体のコアが燃焼室ガスによる影響に対して保護されているように構成されている。本発明による点火プラグ電極が中心電極として構成されている場合、この中心電極は、点火プラグ電極若しくはベース体の、燃焼室とは反対側の端面が同様に碍子内に配置された抵抗素子によって気密にカバーされているように、碍子内に配置されている。

点火プラグ電極を製造するための本発明による方法のための１例を示す図である。 本発明による方法に従って製造された、完成された点火プラグ電極のための１例を示す図である。 本発明による方法に従って製造された少なくとも１つの点火プラグ電極を有する点火プラグのための一例を示す図である。

図１は、点火プラグ電極１０を製造するための本発明による方法の様々なステップを概略的に示す。第１のステップで、線材が分離され、それによって点火プラグ電極ベース体１５が得られる。線材のリザーブは、例えば線材コイルに存在する。線材は、線材を分離することによって複数の点火プラグ電極ベース体１５が製造できる程度に長い。線材は、コア１７と周壁１８とを有しており、周壁１８がコア１７を包囲している。コア１７は、概ね線材の全長に亘って延在している。コア１７、周壁１８およびひいては線材自体も、その全長に亘って一定な寸法、直径、厚さ若しくは幅を有している。この関連性において一定とは、全長に亘って寸法が１０％以上変化しない、ということである。線材は、１ｍｍ乃至４ｍｍの範囲の直径を有している。線材の周壁は、０．１ｍｍ乃至０．８ｍｍの範囲の層厚ｄを有している。この実施例では、線材は、２．７ｍｍの直径を有していて、周壁は０．５ｍｍの層厚ｂを有している。

ベース体１５は、線材の分離後に少なくとも５ｍｍの長さを有している。中心電極を製造するために、ベース体は６０ｍｍまでの長さを有している。アース電極を製造するために、ベース体は、２０ｍｍまでの長さを有している。ベース体の端面１４，１３でコア１７が露出している。コア１７および周壁１８は、分離後に一定の寸法、例えば直径、厚さ若しくは幅、若しくはベース体１５の長さに亘って一定の横断面を有している。

次のステップで、ベース体１５は計画された使用に応じて中心電極またはアース電極として成形される。ベース体は工具３０で緊締される。図１ｂ）に示されているように、工具３０によって、ベース体１５の成形されていない領域Ｂ２よりも小さい横断面若しくは小さい寸法例えば直径または幅を有する例えば第１の領域Ｂ１が得られることが可能である。より小さい直径を有する第１の領域Ｂ１は例えばロールによって成形される。この実施例では、領域Ｂ１は、２．４ｍｍの直径Ｄ１および周壁のための約０．４５ｍｍの層厚ｂを有している。

選択的にまたは追加的に第３の領域Ｂ３が制作されてもよく、この第３の領域Ｂ３は、ベース体１５の成形されていない領域Ｂ２よりも大きい横断面若しくは大きい寸法を有している。より大きい直径を有する第３の領域Ｂ３は、例えば圧縮変形によって成形される。

基本的に、ベース体および後から得られる点火プラグ電極は、複数の第１、第２および／または第３の領域を有することが可能である。

図１ｃ）には、成形後の点火プラグ電極１０のための一例が示されている。点火プラグ電極１０若しくはベース体１５は少なくとも３つの領域、即ち、成形によって減少された横断面若しくは減少された直径Ｄ１を備えたベース体１５の第１の領域Ｂ１と、不変の直径Ｄ２若しくは不変の横断面を備えたベース体１５の第２の領域Ｂ２と、成形によって増大された横断面若しくは増大された直径Ｄ３を備えた第３の領域Ｂ３とを有している。標準的には、ベース体１５の第１の領域Ｂ１は、ベース体の燃焼室側の端部に形成され、第３の領域Ｂ３は、ベース体１５の、燃焼室とは反対側の端部に形成される。中心電極において、ベース体１５の第３の領域Ｂ３が電極ヘッド１９に相当し、この電極ヘッド１９は、点火プラグ１内で、碍子３の内側に形成された座部上に載る。

図２には、中心電極１２として構成された、完成された点火プラグ電極１０が示されている。中心電極１２はその燃焼室側の端部１４に閉鎖体１６を有しており、この閉鎖体１６は、溶接によってベース体１５の端面１４に素材結合式に結合されている。閉鎖体１６は厚さｄを有しており、この厚さｄは少なくとも、燃焼室側の端面１４におけるベース体１５の周壁１８の層厚ｂに相当する。閉鎖体１６は、ベース体１５の燃焼室側の端面１４におけるコア１７の直径よりも大きい直径を有している。閉鎖体はベース体の燃焼室側の端面１４に面一に配置されている。

図３は、本発明による少なくとも１つの点火プラグ電極１０を備えた点火プラグ１の概略図を示す。点火プラグ１は、シリンダヘッド内に点火プラグ１を取り付けるためのねじ山を備えた金属のハウジング２を有している。さらに、ハウジングは６角形部分９を有しており、この６角形部分に、シリンダヘッド内に点火プラグ１を取り付けるための工具が嵌合される。ハウジング２内に碍子３が配置されている。中心電極１２および接続ピン４は、碍子３内に配置されていて、抵抗素子５を介して電気的に接続されている。

中心電極１２は標準的には点火プラグ１の燃焼室側の端部で碍子３から突き出している。中心電極１２は電極ヘッド１９で以って、碍子３の内側に形成された座部上に載る。中心電極１２は、ベース体１５と、このベース体１５の燃焼室側の端部に配置された閉鎖体１６とを有している。ベース体はここには示されていないコアを有していて、このコアは周壁によって包囲されている。

ハウジング２の燃焼室側の端部にアース電極１１が配置されている。このアース電極は中心電極１２と共に点火ギャップを形成する。アース電極１１は、ルーフ形電極、サイド形電極またはＵ字形電極として構成されていてよい。アース電極１１は、ベース体１５と、このベース体１５の燃焼室側の端部に配置された閉鎖体１６とを有している。ベース体は、ここには図示されていないコアを有していて、このコアは周壁によって包囲されている。

１ 点火プラグ
１０ 点火プラグ電極
１１ アース電極
１２ 中心電極
１４ ベース体の端面
１５ 点火プラグ電極ベース体
１６ 閉鎖体
１７ コア
１８ 周壁
２０ 線材
ｂ 層厚
Ｂ１ 第１の領域
Ｂ２ 第２の領域
Ｂ３ 第３の領域
ｄ 閉鎖体１６の厚さ

Claims (14)

1. ベース体（１５）を有する点火プラグ電極（１０）を製造する方法において、
   前記ベース体（１５）を線材（２０）から分離することによって製造し、この場合、
   前記線材（２０）が、コア（１７）と該コア（１７）を包囲する周壁（１８）とを有しており、前記コア（１７）が前記ベース体（１５）の全長に亘って延在しており、前記線材（２０）から複数の前記ベース体（１５）を製造し、
   前記ベース体（１５）を少なくとも領域的に、成形前よりも小さい直径（Ｄ１）を有する前記ベース体（１５）の領域（Ｂ１）が得られ、直径が少なくとも５％だけ縮小するように成形する
   ことを特徴とする点火プラグ電極（１０）を製造する方法。
2. 前記ベース体（１５）が、
   分離後で、続いて行われる成形ステップの前に、０．５ｃｍより小さくない長さおよび／または６．０ｃｍより大きくない長さを有している
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ベース体（１５）を少なくとも領域的に、成形前よりも大きい直径（Ｄ３）を有する前記ベース体（１５）の領域（Ｂ３）が得られ、直径が少なくとも５％だけ増大するように成形する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ベース体（１５）を、前記ベース体（１５）の燃焼室側の端面（１４）において、閉鎖体（１６）と素材結合により結合する
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の方法。
5. 前記ベース体（１５）内に配置されたコア（１７）が、成形前に前記ベース体（１５）の全長に亘って一定の直径を有している
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の方法。
6. 前記ベース体（１５）を少なくとも領域的に、前記ベース体（１５）が異なる直径（Ｄ１，Ｄ２）を備えた少なくとも１つの第１および第２の領域（Ｂ１，Ｂ２）を有し、前記第１および第２の領域（Ｂ１，Ｂ２）内における前記それぞれの直径（Ｄ１，Ｄ２）が一定であるように、成形する
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の方法。
7. 少なくとも前記第１および第２の領域（Ｂ１，Ｂ２）内における前記コア（１７）の横断面と前記ベース体（１５）の横断面との間の比が、１０％より大きく異なっておらず、５％より大きく異なっていない
   ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 点火プラグ電極（１０）であって、コア（１７）および周壁（１８）を有するベース体（１５）を含有する形式のものにおいて、
   前記コア（１７）が前記ベース体（１５）の全長に亘って延在し、
   前記ベース体（１５）の横断面に対する前記コア（１７）の横断面の比が、
   前記ベース体の長さに亘って１０％より大きく変化しない
   ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の方法に従って製造された点火プラグ電極（１０）。
9. 閉鎖体（１６）が前記ベース体（１５）の前記端面（１４）に固定されており、
   前記閉鎖体（１６）が前記コア（１７）に直接的に接触している
   ことを特徴とする請求項８に記載の点火プラグ電極（１０）。
10. 前記閉鎖体（１６）が、
    前記ベース体（１５）の前記端面（１４）に面一に配置されている
    ことを特徴とする請求項８に記載の点火プラグ電極（１０）。
11. 前記閉鎖体（１６）の厚さ（ｄ）が、
    前記周壁（１８）の層厚（ｂ）と少なくとも同じ大きさであり、前記厚さ（ｄ）が前記ベース体（１５）の長手方向で前記閉鎖体（１６）の寸法である
    ことを特徴とする請求項８〜１０の何れか１項に記載の点火プラグ電極（１０）。
12. 前記周壁（１８）の層厚（ｂ）が、
    ０．１ｍｍより小さくなく、０．８ｍｍより大きくない
    ことを特徴とする請求項８〜１１の何れか１項に記載の点火プラグ電極（１０）。
13. 前記点火プラグ電極（１０）が、
    アース電極（１２）および／または中心電極（１１）である
    ことを特徴とする請求項８〜１２の何れか１項に記載の点火プラグ電極（１０）。
14. 点火プラグ（１）において、
    該点火プラグ（１）が、請求項８〜１３の何れか１項に記載の少なくとも１つの点火プラグ電極（１０）を有しており、および／または請求項１〜７の何れか１項に記載の方法に従って製造された少なくとも１つの点火プラグ電極（１２）を有している
    ことを特徴とする点火プラグ（１）。
    
    

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