JP6453838B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文において明記される特徴を有するスパークプラグに基づく。

この性質のスパークプラグは、欧州特許第１，５７６，７０７号（Ｂ１）明細書から知られている。先行技術のスパークプラグにおいて、中心電極（ｃｅｎｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）および接地電極（ｇｒｏｕｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）は、それぞれ、主にイリジウムを含有する貴金属合金で作製された、欧州特許第１，５７６，７０７号（Ｂ１）明細書において着火先端部と呼ばれる末端部を備える。これらの末端部は、レーザ溶接により中心電極および接地電極に結合される。イリジウム合金で作製された末端部で電極を先端処理する目的は、スパークプラグの耐用期間を延長することであり、これにはイリジウムおよびイリジウム合金が好適である。しかしながら、イリジウムは高価な貴金属である。

欧州特許第１，５７６，７０７号（Ｂ１）明細書

本発明の目的は、スパークプラグの製造費を削減することである。

この目的は、請求項１に明記される特徴を有するスパークプラグにより達成される。本発明の有利なさらなる発展型は、従属請求項の主題である。

本発明は、先行技術とは対照的に、スパークギャップの境界となる電極（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）の一部が、貴金属または貴金属合金のみで作製されていないという利点を有する。その代わり、貴金属または貴金属合金は、貴金属または貴金属合金で構成された結晶粒子が第１の卑金属または第１の卑金属合金で構成された結晶粒子と混合された複合材料の構成要素である。これは、貴金属もしくは貴金属合金で作製された粒子が、第１の卑金属もしくは第１の卑金属合金で作製された部分的もしくは完全に一様な材料（母材）（ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌ（ｍａｔｒｉｘ））中に分散しているように、または、第１の卑金属もしくは第１の卑金属合金で作製された粒子が、貴金属もしくは貴金属合金で作製された部分的もしくは完全に一様な材料（母材）中に分散しているように具現化され得る。複合材料は、前記構成要素または母材複合材料の混合物であってもよく、すなわち、貴金属もしくは貴金属合金の粒子が、第１の卑金属もしくは第１の卑金属合金で作製された母材中に、主に島状に埋設されている、または、第１の卑金属もしくは第１の卑金属合金の粒子が、貴金属もしくは貴金属合金で作製された母材中に、主に島状（ｉｓｌａｎｄｓ）に埋設されている複合材料であってもよい。さらに、複合材料は、混合物および母材複合材料のハイブリッド（ｈｙｂｒｉｄ）であってもよい。また、複合材料において、貴金属または貴金属合金で構成された粒子は、第１の卑金属または第１の卑金属合金からなる母材中に、貴金属または貴金属合金で作製された一連の連続した粒子からなる小道（又は細道、ｔｒａｃｋｓ）を形成してもよい。あるいは、複合材料において、卑金属または卑金属合金で構成された粒子は、貴金属または貴金属合金で作製された母材中に、第１の卑金属または第１の卑金属合金で作製された一連の連続した粒子からなる小道（又は細道、ｔｒａｃｋｓ）を形成してもよい。

スパークギャップに接する複合材料の表面において、貴金属または貴金属合金の個々の粒子は、第１の卑金属または第１の卑金属合金で構成された環境内に現れる。スパークプラグにおける電極を先端処理するための複合材料の本発明による使用は、スパークギャップに接する電極（中心電極および／または接地電極）の表面の一部が貴金属または貴金属合金のみで構成される先行技術との大きな違いである。本発明によれば、スパークギャップに接する電極の表面の少なくとも１つは、部分的にのみ貴金属または貴金属合金で構成され、残りは第１の卑金属または第１の卑金属合金で構成される。複合材料における第１の卑金属または第１の卑金属合金に対する貴金属または貴金属合金の体積比は、１０：９０から９０：１０であってもよく、好ましくは、体積比は、３０：７０から６０：４０、例えば約５０：５０である。尚、上述の例えば３０：７０は、貴金属または貴金属合金の体積が３０、第１の卑金属または第１の卑金属合金が７０を意味する。本発明による複合材料で点火電極が先端処理される場合、先行技術と比較して、この目的に必要な高価な貴金属の量が削減され得、したがって、スパークプラグの製造費が削減され得る。あるいは、同じ量の貴金属または貴金属合金が使用される場合、電極消耗が分散されるスパークギャップに接する表面のサイズ、すなわち後述する成型部品７、８の表面のサイズが比例して増加され得、したがってスパークプラグの耐用期間が増加され得る。

使用中のスパークプラグが所望の消費度に達し、この時点でスパークプラグが交換されることを可能にするために、複合材料は、複合材料で先端処理される点火電極上にそれが形成する表面の下にある特定の深さまで延在する。このこと自体は、貴金属または貴金属合金のみで先端処理された電極を有するスパークプラグにおける先行技術から知られている。複合材料が点火電極上に提供される厚さは、先行技術において提供される貴金属または貴金属合金で構成された末端部の厚さの場合とちょうど同じように選択され得るが、これは決して必須ではない。

本発明によるスパークプラグが最初に使用に供された際、スパークギャップを画定している表面上の点火スパークの浸食作用が、まず、主に第１の卑金属または第１の卑金属合金の損失（消費）をもたらす。この結果、貴金属または貴金属合金の粒子は、スパークギャップを画定している該当する表面からより大きく突出する。スパークプラグのスパークギャップに接している表面上で、貴金属または貴金属合金の突出粒子は「島」を形成し得、その間で第１の卑金属または第１の卑金属合金が表面を形成する。突出した貴金属粒子または貴金属合金粒子におけるスパークギャップの電場内で生じる尖端効果（ｐｏｉｎｔ ｅｆｆｅｃｔ）により、ほとんどの場合、点火スパークは、貴金属または貴金属合金の粒子から開始し、反対の点火電極上の貴金属または貴金属合金の反対の粒子に衝突する。点火スパークが、第１の卑金属もしくは第１の卑金属合金の領域上に基点を有し、および／または第１の卑金属または第１の卑金属合金で構成される点で反対の点火電極に衝突する場合、これは確かにそこで貴金属または貴金属合金上よりも大きい浸食をもたらし得るが、この結果、最終的には、貴金属または貴金属合金を含有する粒子が、第１の卑金属または第１の卑金属合金よりさらに上に突出するに過ぎず、したがってスパークギャップ内で生じる電場の尖端効果を高め、点火スパークが１つの貴金属粒子から、または１つの貴金属合金粒子から、反対の貴金属粒子または貴金属合金粒子にジャンプする確率を増加させる。

これは、以下の重要な利点を有する。第一に、点火スパークを生成するために必要な電圧（点火電圧）が減少し、第二に、第１の卑金属または第１の卑金属合金の浸食が抑制され、これはスパークプラグの耐用期間にとって有効である。スパークギャップに接する表面における第１の卑金属または第１の卑金属合金の存在から生じるスパークプラグの耐用期間の短縮の可能性は、本発明によれば、高価な貴金属の節約によるスパークプラグの費用の点から、大幅に補償され得る。

本発明の別の利点は、互いに溶接される２つの表面が、主に同じ第１の卑金属または主に同じ第１の卑金属合金で作製され得るため、本発明による複合材料で作製された成型部品が、例えば、後述する中心電極４の成型部品７以外の部分、又は後述する接地電極３の成型部品８以外の部分である、点火電極の卑金属セクションの１つの端部に（中心電極および接地電極に）全く問題なく溶接され得ることである。異なる熱膨張係数および他の冶金学的不適合性のために、貴金属で、または貴金属合金で作製された末端部の、点火電極の卑金属セクションへの溶接に起因する先行技術において生じていた問題は、本発明による方法が使用される場合、より小さい。本発明による複合材料で作製された成型部品は、証明されている標準的溶接方法を使用して、例えばジュール熱のみにより、中心電極または接地電極の卑金属セクションに直接溶接され得る。これは、スパークプラグの製造費を大幅に削減する。

好ましくは、スパークプラグにおける１つの、または該当する場合には複数のスパークギャップに接する全ての表面が、本発明による複合材料で作製される。

第１の卑金属または第１の卑金属合金は、スパークプラグに通常使用される組成を有し得る。ニッケルおよびニッケル系合金、特に、例えば、非常に成功裏に実践され得ることが証明されている、少なくとも７２重量パーセントのニッケル、１４〜１７重量パーセントのクロム、および６〜１０重量パーセントの鉄を含有する合金等のニッケル系合金の使用が知られ、また好適であり、１つのそのようなＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金は、Ｉｎｃｏｎｅｌ ６００の商品名で入手可能である。内燃機関内での動作条件において十分に耐食性であれば、他の高温合金も同様に使用され得る。

点火電極の先端処理に使用される貴金属または貴金属合金は、同様に、スパークプラグにおける使用に既に知られているものと同じもの、特に、イリジウムおよび白金、ならびにイリジウムおよび白金の合金、特に、イリジウムおよび白金で構成された合金、またはイリジウムおよびロジウムで構成された合金であってもよい。好ましくは、イリジウム合金は、主にイリジウムから、より好ましくは９５重量パーセント以上のイリジウムからなる。貴金属合金はまた、少量の１種または複数種の卑金属、特に元素周期表の３Ｂおよび４Ｂ族からのもの、例えばジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびイットリウムを含有してもよい。

好ましくは、本発明による複合材料で作製された成型部品は、粉末冶金により、例えば金属射出成型（ＭＩＭ、ｍｅｔａｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ）プロセスを使用して生成される。この方法は、点火電極の先端処理に必要とされるような小型本体を生成するのに特に好適である。金属射出成型自体は先行技術であるが、本出願の場合にはそうではない。本出願の場合、ニッケル合金、好ましくは中心電極および接地電極の卑金属セクションにおいて使用されたものと同じ合金の粉末、ならびに貴金属合金の粉末が、例えばプラスチック系結合剤を添加して互いに混合され得、配合により一様な塊、すなわち原料が形成され得、次いでこれが、射出成型により「グリーン部品（ｇｒｅｅｎ ｐａｒｔｓ）」と呼ばれる成型物品を生成するために使用される。次に、グリーン部品が脱結合されるが、これはグリーン部品から結合剤が除去されることを意味する。使用される結合剤に依存して、脱結合は、水もしくは他の溶媒を使用して、または加熱により達成することができ、結合剤は分解され、グリーン部品から排出され得る。脱結合のためのこれらの方法のいくつかを使用することも可能である。脱結合された成型物品は、ブラウン部品（ｂｒｏｗｎ ｐａｒｔ）と呼ばれる。ブラウン部品は、焼結され、このようにして固化される。あるいは、押出により原料からストランド（ｓｔｒａｎｄ）が形成され、脱結合され、より小さいセクションに分割され、次いでこれらのセクションが焼結されてもよい。結合剤の選択およびグリーン部品の空隙率に依存して、脱結合は、ストランドのクロスカット（ｃｒｏｓｓ−ｃｕｔｔｉｎｇ）の前または後に行われてもよく、またさらに潜在的に焼結の後に行われてもよい。ストランドのクロスカットはまた、潜在的に焼結の後に行われてもよい。

本発明による複合材料から成型部品のグリーン部品を作製する別の可能性は、２Ｄプリンタまたは３Ｄプリンタを使用して、複合材料が結合しない基板上に金属粉末および結合剤の混合物を印刷すること、印刷されたグリーン部品を脱結合すること、ならびにこのようにして形成されたブラウン部品を焼結することにある。

成型部品の形態は、個々の場合において明記される電極形態に一致してもよく、例えば、円形板、リング、矩形平行六面体、またはリベット（ｒｅｖｅｔ）であってもよい。成型部品の他の幾何学形状も同様に可能である。金属射出成型（ＭＩＭ）はまた、複雑な成形を可能にする。本発明は、実用されるスパークプラグにおいて生じる全ての電極形態の先端処理に好適である。

粉末冶金により生成された複合材料において、貴金属または貴金属合金で構成された粒子の平均サイズは、第１の卑金属または第１の卑金属合金で構成された粒子の平均サイズより小さくても、それと等しくても、またはそれより大きくてもよい。好ましくは、貴金属または貴金属合金で構成された粒子の平均サイズは、第１の卑金属または第１の卑金属合金で構成された粒子の平均サイズより小さい、またはその平均サイズと等しい。サイズ仕様の比較可能性を確実にするために、平均粒子サイズは、常に同じ方法により、例えば切断法（ｉｎｔｅｒｃｅｐｔ ｍｅｔｈｏｄ）により決定されるべきである。

好ましくは、貴金属または貴金属合金で構成された粒子は、５０μｍの最大サイズおよび５μｍの最小サイズを有する。粒子サイズは、本明細書において、特に、粒子の相当直径を意味すると理解される。具体的には、「粒子サイズ」という用語は、幾何学的相当直径、特に体積相当球直径または表面相当球直径を意味すると理解される。幾何学的相当直径は、不規則形状粒子と同じ幾何学的特性（表面または体積）を有する球の直径を決定することにより得られる。体積相当球直径は、考慮される粒子と同じ体積を有する球の直径である。表面相当球直径は、考慮される粒子と同じ表面サイズを有する球の直径である。さらに、「粒子サイズ」という用語は、特に、相当直径分布の平均値を意味するように理解される。好ましくは、貴金属または貴金属合金で構成された粒子のサイズは、１０μｍから３０μｍの範囲内、より良好には１５μｍから２５μｍの範囲内である。これは、スパークプラグの長期耐用期間を達成するのに有利である。このサイズ範囲内の貴金属または貴金属合金で構成された粒子が多いほど、スパークプラグの挙動はより良好である。

複合材料において、貴金属または貴金属合金で構成された粒子の体積分率は、第１の卑金属または第１の卑金属合金の体積分率より大きくても、それと等しくても、またはそれより小さくてもよい。貴金属または貴金属合金の分率は、１０体積パーセントから９０体積パーセントの間、好ましくは２０体積パーセントから８０体積パーセントの間、または３０体積パーセントから７０体積パーセントの間、特に４０体積パーセントから６０体積パーセントの間、例えば約５０体積パーセントであってもよい。このようにして、先行技術と比較して、実質的な貴金属の節約および費用の節約を実現することが可能である。追加的な利点は、イリジウムまたはイリジウム合金で作製された成型部品が、例えばＩｎｃｏｎｅｌ ６００等のニッケル系合金で作製された点火電極上に溶接される先行技術と比較して、複合材料で作製された成型部品と、本発明による複合材料とは別に、該当する場合には銅または銅合金で作製されたコアと共に、中心電極または接地電極が構成されるニッケル系合金との間の熱膨張係数の差がより小さいことにある。これは、まず、本発明による成型部品とニッケル系合金との間の溶接ゾーンに対する熱応力に起因する負荷が、先行技術よりも小さいという利点を有し、これは、複合材料で作製された成型部品が、ニッケル系合金で作製された中心電極または接地電極の主要部分に、はるかに少ない労力で、最も容易には電気抵抗溶接を用いて溶接され得るというさらなる利点を有する。熱膨張係数の相互適応のための高い費用を要する中間層、および、これまで先行技術において使用されてきた追加的な高費用のレーザ溶接または電子ビーム溶接が、本発明により不要となり得る。

本発明の別の利点は、貴金属または貴金属合金の熱膨張係数と、第１の卑金属または第１の卑金属合金のより大きい熱膨張係数との間の差（この差は、複合材料内で効果的である）、特に、イリジウムまたはイリジウム合金の熱膨張係数と、例えばＩｎｃｏｎｅｌ ６００等のニッケル系合金のより大きい熱膨張係数との間の差が、温度が上昇するにつれて、複合材料中に含有される、および貴金属または貴金属合金で構成された粒子を囲む第１の卑金属または第１の卑金属合金により、貴金属または貴金属合金で構成された粒子に圧力が印加され、したがってこれらの粒子が複合材料中で特に固く固定され、これが堅牢な機械的結合を保証し、スパークプラグの低い電極消費および長期耐用期間に有効であるという結果をもたらすことにより生じる。

中心電極および／または接地電極の卑金属主要セクションは、好ましくは、電極が先端処理される複合材料の構成要素でもある同じ第１の卑金属または同じ第１の卑金属合金で作製される。電極の卑金属セクションはまた、さらに、熱膨張係数が第１の卑金属または第１の卑金属合金の熱膨張係数より大きい異なる卑金属または異なる卑金属合金、特に銅で作製されたコアを有してもよい。しかしながら、コアは、本発明による複合材料と、複合材料で先端処理される電極の卑金属主要セクションとの間の溶接ゾーンまで延在すべきではない。

図面は、本発明をさらに説明する目的を果たす。

一部が側面図、一部が縦断面図である、典型的なスパークプラグを示す図である。 スパークプラグにおいて本発明に従い使用される複合材料の１つの可能な構造の、大きく簡略化された図である。 一部が側面図、一部が断面図である、スパークプラグの別の例を示す図である。

図１は、例えば鋼で作製された金属シェル２を有するスパークプラグを示す。スパークプラグは、主に第１の卑金属合金、例えばニッケル系合金で構成された中心電極４および接地電極３、ならびに銅で作製されたコア１０を有する。接地電極３は、シェル２の前端を起点とし、中心電極４に向かって湾曲している。中心電極４は、セラミック絶縁体１内に挿入され、溶融ガラス素子５により、絶縁体１の後端部から突出する電気端子素子６に接続される。

中心電極４および接地電極３の前端部には、それぞれの場合において、本発明による複合材料で作製された、すなわち本発明に従って、具体的には貴金属または貴金属合金の粒子および第１の卑金属または第１の卑金属合金の粒子の混合物で構成された成型部品７または８が溶接（ｗｅｌｄｅｄ）されている。銅で作製されたコア１０は、成型部品７を中心電極４に溶接（ｗｅｌｄｉｎｇ）することにより形成された溶接ゾーン内に延在しない。スパークプラグのスパークギャップ９は、２つの成型部品７、８の間に位置する。

図２は、図１において一例として示されるスパークプラグの中心電極４および接地電極３が先端処理され得る複合材料の、大きく拡大され単純化された１つの可能な構造を示す。第１の卑金属合金、例えばＩｎｃｏｎｅｌ ６００の粒子は、白色で示される。貴金属または貴金属合金、例えばイリジウム−白金合金の粒子は、暗色で示される。異なる粒子が混合物を形成し、複合材料中に適度に均一な分布で存在している。

図３には、図１に示される部品に対応するスパークプラグの部品が、対応する参照番号で標示されている。

図３に示されるスパークプラグは、主に、中心電極４が、本発明による複合材料で作製された成型部品８で先端処理され、本発明による複合材料で作製された環状成型部品７が溶接された中心電極４の側方表面に面した、４つの接地電極３により囲まれている点で、図１に示されるスパークプラグと異なる。スパークプラグは、環状成型部品７と、接地電極３に溶接された４つの成型部品８との間に形成される４つのスパークギャップ９を有する。

１ 絶縁体
２ シェル
３ 接地電極
４ 中心電極
５ 溶融ガラス素子
６ 電気端子素子
７ 成型部品
８ 成型部品
９ スパークギャップ
１０ 中心電極の銅コア

Claims (13)

1. 中心電極（４）と、絶縁体（１）により前記中心電極（４）から離間した１つまたは複数の接地電極（３）と、を有するスパークプラグであって、
   前記中心電極（４）と前記１つまたは複数の接地電極（３）との間に、１つのスパークギャップ（９）または複数のスパークギャップ（９）が形成され、前記中心電極（４）と前記１つまたは複数の接地電極（３）との間に点火スパークが電弧をなすことができ、
   前記接地電極（３）および前記中心電極（４）の少なくとも１つは、第１の卑金属または第１の卑金属合金および貴金属または貴金属合金で構成され、
   少なくとも１つの電極（３、４）が、前記貴金属または貴金属合金の結晶粒子が前記第１の卑金属または前記第１の卑金属合金と混合された複合材料で作製された、前記１つのスパークギャップ（９）または複数のスパークギャップ（９）に接する表面を有し、
   前記貴金属または貴金属合金で構成された前記粒子の一部は、前記１つのスパークギャップ（９）または前記複数のスパークギャップ（９）に接する前記表面の一部を形成し、
   前記複合材料が、粉末冶金プロセスを用いて、貴金属粉末および／または貴金属合金粉末、ならびに前記第１の卑金属および／または前記第１の卑金属合金の粉末から生成され、
   前記複合材料において、前記貴金属または貴金属合金で構成された前記粒子の平均サイズが、前記第１の卑金属または第１の卑金属合金で構成された前記粒子の平均サイズより小さい、またはその平均サイズと等しいことを特徴とする、スパークプラグ。
2. 前記貴金属または貴金属合金で構成された前記粒子が、前記第１の卑金属または前記第１の卑金属合金で作製された母材中に分布していることを特徴とする、請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 前記１つのスパークギャップ（９）または前記複数のスパークギャップ（９）に接する全ての表面が、前記複合材料で作製されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のスパークプラグ。
4. 前記第１の卑金属がニッケルであること、および前記第１の卑金属合金がニッケル系合金であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
5. 前記ニッケル系合金が、ニッケル、クロムおよび鉄を主に含有する高温合金、例えばＩｎｃｏｎｅｌ ６００であることを特徴とする、請求項４に記載のスパークプラグ。
6. 前記貴金属が、イリジウムまたは白金であること、および前記貴金属合金が、イリジウム合金または白金合金またはイリジウム−白金合金またはイリジウム−ロジウム合金であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
7. 金属射出成型プロセスを用いて、前記複合材料から成型部品（７、８）が形成および焼結されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
8. 前記複合材料において、前記第１の卑金属または第１の卑金属合金に対する前記貴金属または貴金属合金の体積比が、１０：９０から９０：１０、特に３０：７０から６０：４０であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
9. 前記複合材料において、前記貴金属または貴金属合金で構成された前記粒子が、１０μｍから３０μｍ、または１５μｍから２５μｍのサイズを有することを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
10. 前記第１の卑金属または第１の卑金属合金が、前記貴金属または貴金属合金よりも低い融点を有することを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
11. その電極（３、４）の少なくとも１つ、または複数の電極（３、４）、またはその電極（３、４）の全てにおける主要セクションが、例えば電気抵抗溶接により、前記複合材料で構成または作製された請求項７に記載の成型部品（７、８）に一体的に接合されることを特徴とする、請求項１から６、８から１０のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
12. 前記請求項７に記載された成型部品（７、８）は、円形板、リング、矩形平行六面体、またはリベットであることを特徴とする、請求項１から６、８から１１のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
13. 前記複合材料で作製されていない前記中心電極（４）および／または前記接地電極（３）の一部が、前記第１の卑金属または第１の卑金属合金で構成され、また、前記第１の卑金属または第１の卑金属合金の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する異なる卑金属または異なる卑金属合金で作製されたコア（１０）であって、前記複合材料まで延在しないコア（１０）で構成されることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載のスパークプラグ。

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