JP7058729B2 - 高められたＺｒＳｉＯ４位相割合を有する点火プラグ抵抗素子 - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項に記載した点火プラグおよび点火プラグのための製造法に関する。

今日の点火プラグは、点火プラグ内および内燃機関内の電極の摩耗を低減するためにおよび電磁干渉（ＥＭＩ）を避けるために１乃至１４ｋΩの範囲内の固有抵抗を有する抵抗素子を有している。この抵抗素子は、点火プラグにおいて一般的に点火プラグ碍子内でターミナルと中心電極との間に配置されている。この抵抗素子は、大抵の場合、様々な導電性の粒子および非導電性の粒子、例えば炭素またはカーボン、ＺｒＯ２およびホウケイ酸ガラスから成る材料混合物である。抵抗素子のための比電気抵抗は、特に材料組成および材料分布から生じる。

すべての抵抗において、抵抗素子も、抵抗素子を破壊する電流が抵抗素子内で発生する前に、抵抗素子を通って流れる最大電流強さを有している。この最大電流強さは特に、抵抗素子の電気的安定性のための基準であり、点火プラグの耐用年数にとって決定的に重要である。

さらに、抵抗素子は、時間の経過につれておよび運転時間が長くなるにつれて劣化し、この場合、抵抗素子の抵抗値は時間経過につれて高くなる。これによって、点火プラグは、さらに機能するために、より高い電圧で駆動される必要がある。絶えず高くなる運転電圧によって、ターミナルまたは中心電極から碍子を通ってハウジング内に達する電圧の絶縁破壊の危険性が高くなり、これによって、碍子および点火プラグ全体が破壊される。従って、抵抗素子の抵抗値の長時間安定性は、抵抗素子の電気的安定性のための基準であり、点火プラグの耐用年数にとって決定的に重要である。

そこで本発明の課題は、高い電気的な安定性を有する改善された抵抗素子を備えた冒頭に述べた形式の点火プラグ、およびこのような点火プラグのための製造法を提供することである。

この課題は、ハウジングと、該ハウジング内に配置された碍子と、該碍子内に配置された中心電極と、前記碍子内に配置されたターミナルと、該碍子内に配置された抵抗素子とを有していて、該抵抗素子が、空間的に中心電極とターミナルとの間に配置されていて、中心電極をターミナルに電気的に接続し、この場合、抵抗素子が抵抗パナートを含有していて、該抵抗パナートが特にＺｒＯ_２およびＳｉＯ_２を含有する材料混合物より成っており、さらに、ハウジングの、燃焼室側の端面に配置された接地電極を有していて、該接地電極が、中心電極と共同で火花ギャップを形成している形式の点火プラグにおいて、本発明によれば、抵抗パナートの材料混合物がＺｒＳｉＯ_４も含有していることによって解決される。

この製造法中に、碍子が、この碍子内に含有された抵抗素子若しくは抵抗パナートと共に加熱される。この加熱過程の前に、抵抗パナートはＺｒＯ_２およびＳｉＯ_２を含有していて、ＺｒＳｉＯ_４は含有していない。例えば少なくとも８７０℃の温度で加熱することによって、ＺｒＯ_２はＳｉＯ_２と共にＺｒＳｉＯ_４に変換開始される。本出願人の調査によれば、ＺｒＳｉＯ_４を含有する抵抗パナートを有する点火プラグが、点火プラグの運転中に著しく高い抵抗安定性を有することが分かった。ＺｒＳｉＯ_４を含有しない抵抗パナートを有する点火プラグにおいては、殆ど１００時間もない運転時間後に抵抗が著しく変化するので、点火プラグ機能を維持するために常により高い電圧を点火プラグに印加させる必要があり、それによって、電圧がターミナルまたは中心電極から碍子を通ってハウジング内に達して点火プラグを破壊する危険性が再び高まる。

このような問題は、本発明による点火プラグでは生じない。何故ならば、抵抗パナート内のＺｒＳｉＯ_４に基づいて、抵抗パナートの抵抗は著しく安定していて、数１００運転時間においても僅かに変化するだけであり、従って、点火プラグは、通常電圧で長く運転され得るからである。調査のために、本発明による点火プラグは、３０ｋＶの電圧、２５０℃の温度および１００Ｈｚのパルス周波数において運転された。

その他の好適な実施形態は、従属請求項の対象である。

本出願人の調査は、特に、変換率ｑが少なくとも４０％であるときに好適な効果が特に良好に生じることを示しており、この場合、

であり、この式中、ｗ（Ｘ）は、抵抗パナート内の材料Ｘの質量％で示す割合であり、Ｘは、ＺｒＳｉＯ_４またはＺｒＯ_２である。

変換率ｑが少なくとも５０％であれば、特に好適である。調査は、５０～５５％において変換率の飽和に達し、より高い温度またはより長い加熱時間によっても変換率はそれ以上高くならないことを示す。

選択的にまたは追加的に、抵抗パナートの相対抵抗変化は、少なくとも３００運転時間後に５０％より小さく、好適には３５％より小さくなるように予め設定されている。理想的には、相対抵抗変化は少なくとも５００運転時間において５０％より小さい。

１実施態様によれば、抵抗素子は、抵抗パナートおよび少なくとも１つの接点パナートを有する層システムである。この場合、少なくとも１つの接点パナートは空間的にターミナルと抵抗パナートとの間または中間電極と抵抗パナートとの間に配置されているか、２つの接点パナートが設けられている場合、第１の接点パナートは空間的にターミナルと抵抗パナートとの間に配置され、第２の接点パナートは空間的に抵抗パナートと中間電極との間に配置されている。

本発明の別の態様は、点火プラグ、例えば本発明による点火プラグのための製造法に関し、この方法は、
・碍子を提供するステップと、
・抵抗パナートを碍子内に形成するために調整された材料混合物を充填するステップと、を有していて、この場合、前記材料混合物がＺｒＯ_２およびＳｉＯ_２を含有しており、
・さらにこの方法は、前記碍子およびこの碍子内に設けられた前記材料混合物を少なくとも８７０℃の温度Ｔまで加熱し、それによって前記材料混合物内でＺｒＯ_２およびＳｉＯ_２が反応して少なくとも部分的にＺｒＳｉＯ_４になるステップを有している。

好適な形式で、抵抗パナートのための材料混合物は、変換率ｑが少なくとも４０％になるまで加熱されるようになっている。この場合、変換率ｑは次の式から得られ：

この式中、ｗ（Ｘ）は、抵抗パナート内の材料Ｘの質量％で示す割合であり、Ｘは、ＺｒＳｉＯ_４またはＺｒＯ_２である。

調査は、好適な形式で温度Ｔが８７０℃乃至９６５℃の範囲内であることを示す。８７０℃より低い温度では、３０分より長い加熱時間でもＺｒＳｉＯ４は発生しない。９６５℃より高い温度は、変換に働く追加的な有利な効果を有していない。９６５℃において、３０分以内で既に変換率ｑが飽和に達する。

本発明による製造法の実施態様において、抵抗パナートが少なくとも１５分の時間だけ、特に最大６０分だけ、少なくとも８７０℃の温度Ｔに維持され、この場合、温度Ｔが高ければ高いほど、時間はより短くてよい。従って、碍子または点火プラグの内側または外側の別の構成要素の加熱が高くなりすぎてはならないときに、抵抗パナートをより低い温度でより長く加熱して変換をゆっくりと進行させることができるか、またはより短い時間だけより高い温度で加熱することによって変換を加速させることができ、それによって、変換のための自由が得られる。

点火プラグの１例を示す図である。 サンプルの一定加熱時間ｔ＝３０分の間の、温度Ｔに依存する変換率ｑを示す図である。 温度Ｔ＝８９０℃およびＴ＝９５０℃での加熱時間ｔに依存する変換率ｑの比較を示す図である。 様々な耐久試験時間による様々なサンプルの抵抗を示す図である。 本発明による点火プラグの製造方法を概略的に示す図である。

図１は、点火プラグ１を半分断面した図を示す。点火プラグ１はハウジング２を有している。ハウジング２内に碍子３が挿入されている。ハウジング２および碍子３は、その縦軸線Ｘに沿ってそれぞれ１つの孔を有している。ハウジング２の縦軸線と碍子３の縦軸線と点火プラグ１の縦軸線とは一致している。碍子３内に中心電極４が挿入されている。さらに、碍子３内にターミナル８が延在している。ターミナル８に接続ナット９が配置されており、この接続ナット９を介して、点火プラグ１が図示していない電源に電気的に接触接続可能である。接続ナット９は、点火プラグ１の、燃焼室とは反対側の端部を形成する。

中心電極４とターミナル８との間で碍子３内に、“Ｐａｎａｔ”「パナート（粉末混合物）」とも呼ばれる抵抗素子７が設けられている。抵抗素子７は、中心電極４をターミナル８に導電接続する。抵抗素子７は、例えば第１の接点パナート７２ａと抵抗パナート７１と第２の接点パナート７２ｂとから成る層システムとして構成されている。抵抗素子７の層は、その材料組成、およびこの材料組成から得られる電気抵抗が異なっている。第１の接点パナート７２ａおよび第２の接点パナート７２ｂは、異なる電気抵抗または同じ電気抵抗を有していてよい。抵抗素子７は、１つの層だけが抵抗パナートを備えているか、または複数の異なる層が様々な材料組成および抵抗を有する抵抗パナートを備えていてもよい。

碍子３はショルダで以って、ハウジング内側に形成されたハウジング座部上に載っている。ハウジング内側と碍子３との間のエアギャップをシールするために、碍子ショルダとハウジング座部との間に内側シール１０が配置されており、この内側シール１０は、ハウジング２内に碍子３を緊締する際に塑性変形し、それによってエアギャプをシールする。

ハウジング２の燃焼室側の端面に接地電極５が導電式に配置されている。接地電極５および中心電極４は互いに、この接地電極５と中心電極４との間に火花ギャップが形成されるように配置されており、この火花ギャップで点火火花が生ぜしめられる。

ハウジング２はシャフトを有している。このシャフトに、多角形２１、収縮溝およびねじ山２２が形成されている。ねじ山２２は、点火プラグ１を内燃機関内にねじ込むために用いられる。ねじ山２２と多角形２１との間に外側のシールエレメント６が配置されている。外側のシールエレメント６は、この実施例では折り畳みシールとして構成されている。選択的に、外側のシールエレメント６はフルシールであってもよい。

表１には、調査の結果がまとめられている。この場合、各サンプルは１つの点火プラグに相当する。加熱する前に、すべてのサンプルの抵抗パナートは同じ材料組成を有している。抵抗素子若しくは抵抗パナートだけに相当する、つまり相応の材料組成を有するサンプルで変換調査を実施することも可能である。抵抗パナートは、初期状態で、つまり加熱する前、ひいては可能な変換の前に、ＺｒＯ２およびＳｉＯ_２含有ガラスを有している。ガラスのその他の構成成分は、例えばＢ_２Ｏ_３、ＣａＯおよびＬｉ_２Ｏである。抵抗パナートの材料組成のその他の構成成分は、例えば炭素またはＡｌ_２Ｏ_３またはＴｉＯ_２等のセラミック粒子である。

各サンプルは、所定の加熱時間ｔだけ所定の温度Ｔまで加熱される。次いで、ＸＲＤリートフェルト分析を用いて、様々な材料、ＺｒＯ_２およびＺｒＳｉＯ_４の割合が決定される。また、その結果から変換率ｑが決定される。変換率ｑは次の式に従って算出される：

この式中、ｗ（Ｘ）は、変換後の材料Ｘの質量％で示す割合であり、ＸはＺｒＳ_ｉＯ_４またはＺｒＯ_２である。

この表の結果は、図２および図３の以下のグラフのためのデータベースである。

図２のグラフには、変換率ｑが％で示され、これに対して温度Ｔが℃で示されている。この場合、各データポイントは、３０分間それぞれの温度Ｔまで加熱されたサンプルを示している。破線は、炉温度Ｔ，変換率の飽和値ｑ_ｓａｔおよびフィットパラメータＴ_０を有する、単一フィット関数

を用いた測定データから得られる理論的な曲線変化である。このグラフから、３０分の加熱時間ｔで、変換率ｑが約９２０℃の温度から５０～５５％の飽和に達することが分かる。

図３には、２つのサンプルのための変換率ｑの％が、加熱時間ｔに関連してグラフで示されている。第１のサンプル（丸印）は９５０℃まで加熱された。第２のサンプル（十字）は８９０℃まで加熱された。２つのサンプルのために、異なる時間後に変換率ｑが、上記のように決定された。破線はやはり、加熱時間ｔ，変換率の飽和値ｑ_ｓａｔおよびフィットパラメータｔ_０を有する、単一フィット関数

を用いたそれぞれの測定データから得られる理論的な曲線変化である。このグラフから同様に、変換率ｑが５０～５５％の値で飽和に達するという結果が得られる。追加的に、このグラフは、飽和がより高い温度で時間的により早く得られることを示す。

図４は、所定の運転時間ｔ後の点火プラグの抵抗の比較を示す。すべての点火プラグは、連続テスト運転の開始前に、Ｒ（ｔ＝０）＝１．５ｋΩの初期抵抗（データポイント丸印）を有している。

基準点火プラグ（データポイント四角印）およびその抵抗素子は、表１のサンプルＨ１に従って処理されていて、変換率ｑ＝０％を有している。３５０運転時間を超えてから、基準点火プラグは、Ｒ（３５０ｈ）＝１３．７ｋΩの抵抗を有し、これは、８１３％の相対抵抗変化ｒＷに相当する。

相対抵抗変化（ｒＷ）は次の式により算出される：

この式中、Ｒ（ｔ＝０）は、連続テスト運転の開始前の点火プラグの抵抗であり、Ｒ（ｔ）は、運転時間ｔ後の同じ点火プラグの抵抗である。

新たな点火プラグ（データポイント三角印）およびその抵抗素子は、表１のサンプルＨ３に従って処理されていて、ｑ＝５０％の変換率を有している。各データポイントは、テストおよび次いで抵抗の決定が実施されている点火プラグである。これらすべての新たな点火プラグのための相対抵抗変化は５０％以下である。ｒＷ＝３３％を有する最大の相対抵抗変化は、概ね４５０運転時間後に約１ｋΩの抵抗を有する新たな点火プラグのために得られる。

図５には、点火プラグのための製造法１００が概略的に示されており、この場合、点火プラグ１の個別の構成要素を製造するための個別のステップ、例えば碍子３の製造または抵抗素子７のための材料の製造および混合はここでは示されていない。

第１のステップ１０３で、点火プラグの碍子３が提供される。第２のステップ１０４で中心電極が碍子内に嵌めこまれる。第３のステップ１０７で、抵抗素子７のための材料が碍子内に充填される。任意に、このステップ１０７は３つの部分ステップより成っていてよい。接点パナートの充填１０７２ｂ、抵抗パナートの充填１０７１、第２の接点パナートの充填１０７２ａが行われ、この場合、それぞれの充填後に、中間ステップとして圧縮が行われてよい。次のステップ１０８で、ターミナル８が碍子内に嵌めこまれる。次のステップ１２０で、ターミナル８と碍子３とが互いに圧着固定され、それと同時に加熱される。この場合、抵抗素子７の材料が一緒に加熱されるので、このステップ１０８で、抵抗素子７若しくは抵抗パナート７１内でＺｒＯ２およびＳｉＯ２が、ＺｒＳｉＯ４へ変換される。温度は少なくとも８７０℃である。次いで別のステップ１３０が行われ、この別のステップ１３０で、碍子がハウジング内に取り付けられ、接続され、電極が互いに整列される。

１ 点火プラグ
２ ハウジング
３ 碍子
４ 中心電極
５ 接地電極
６ 外側のシールエレメント
７抵抗素子
８ ターミナル
９ 接続ナット
１０ 内側シール
２１ 多角形
２２ ねじ山
７１ 抵抗パナート
７２ａ 第１の接点パナート
７２ｂ 第２の接点パナート
１００ 製造法
１０３，１０４，１０７，１０８，１２０，１３０ ステップ
１０７１ 抵抗パナートの充填
１０７２ａ 第２の接点パナートの充填
１０７２ｂ 接点パナートの充填
ｑ 変換率
ｔ 運転時間
Ｘ 材料
ｒＷ 相対抵抗変化

Claims (2)

1. 点火プラグ（１）であって、
   ・ハウジング（２）と、
   ・前記ハウジング（２）内に配置された碍子（３）と、
   ・前記碍子（３）内に配置された中心電極（４）と、
   ・前記碍子（３）内に配置されたターミナル（８）と、
   ・前記碍子（３）内に配置された抵抗素子（７）と、を有していて、該抵抗素子（７）が、空間的に前記中心電極（４）と前記ターミナル（８）との間に配置されていて、前記中心電極（４）を前記ターミナル（８）に電気的に接続し、この場合、前記抵抗素子（７）が抵抗パナート（７１）を含有していて、該抵抗パナート（７１）がＺｒＯ２およびＳｉＯ２を含有する材料混合物より成っており、
   ・さらに前記点火プラグ（１）が、前記ハウジング（２）の、燃焼室側の端面に配置された接地電極（５）を有していて、該接地電極（５）が、前記中心電極（４）と共同で火花ギャップを形成している形式のものにおいて、
   前記抵抗パナート（７１）の材料混合物がＺｒＳｉＯ４も含有しており、
   ＺｒＯ２がＺｒＳｉＯ４へ変換される変換率ｑが少なくとも４０％であって、この場合、
   

   

   であり、この式中、ｗ（Ｘ）が、前記抵抗パナート（７１）内の材料Ｘの質量％で示す割合である、
   ことを特徴とする点火プラグ（１）。
2. 前記抵抗パナート（７１）が、３００運転時間後に５０％以下の相対抵抗変化を有することを特徴とする、請求項１に記載の点火プラグ（１）。
   

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