JP7109146B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は内燃機関用のスパークプラグに関するものである。

中心電極へ向かって隆起する凸部と、凸部を覆い貴金属を含有する被覆部と、を有する接地電極を備えるスパークプラグが特許文献１に開示されている。

特開２０１７－１８２９９５号公報

しかし、特許文献１の技術において、凸部を覆う被覆部の耐剥離性や耐火花消耗性に改善の余地がある。

本発明はこの要求に応えるためになされたものであり、被覆部の耐剥離性および耐火花消耗性を向上できるスパークプラグを提供することを目的としている。

この目的を達成するために本発明のスパークプラグは、中心電極と、中心電極へ向けて突出する突出部を有し、中心電極との間に火花ギャップを形成する接地電極と、を備え、突出部は、接地電極のうち中心電極に対向する第１面から隆起する凸部と、凸部を覆い貴金属を含有する被覆部と、を備え、凸部は、第１面と同じ方向を向く端面と、端面の外縁と第１面とを接続する側面と、を備え、被覆部は、端面を被覆する端面被覆部と、側面を被覆する側面被覆部と、を備える。凸部の端面の重心を通り第１面に垂直な平面で切断した切断面において、第１面の位置における側面被覆部の厚さをＴ２とし、第１面の位置における凸部の幅の半分の値をＷとしたときに、０．１≦Ｔ２／Ｗ≦０．４を満たす。

請求項１記載のスパークプラグによれば、凸部の端面の重心を通り第１面に垂直な平面で切断した切断面において、第１面の位置における側面被覆部の厚さＴ２、及び、第１面の位置における凸部の幅の半分の値Ｗが０．１≦Ｔ２／Ｗ≦０．４を満たすことにより、被覆部の耐剥離性および耐火花消耗性を向上できる。

凸部の端面の重心を通り第１面に垂直な平面で切断した切断面において、凸部の成分と被覆部の成分とが混ざった拡散層が、凸部と被覆部との間に形成される。軸線に対して垂直な方向の拡散層の厚さは、凸部の端面の位置の方が第１面の位置よりも厚い。これにより被覆部のうち凸部の端面の外縁付近を覆う部分の剥離を抑制できる。

請求項２記載のスパークプラグによれば、凸部の端面の重心を通り第１面に垂直な仮想直線と交わる位置における端面被覆部の厚さＴ１は、０．４≦Ｔ２／Ｔ１≦０．９５を満たす。これにより請求項１の効果に加え、着火性および耐火花消耗性を向上できる。

一実施の形態におけるスパークプラグの片側断面図である。 図１のＩＩで示す部分を拡大した中心電極および接地電極の断面図である。 図２のＩＩＩで示す部分を拡大した突出部の断面図である。 図３のＩＶで示す部分を拡大した突出部の断面図である。 図３のＶで示す部分を拡大した突出部の断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は一実施の形態におけるスパークプラグ１０の軸線Ｏを境にした片側断面図である。図２は図１のＩＩで示す部分を拡大した中心電極及び接地電極の断面図である。図１では、紙面下側をスパークプラグ１０の先端側、紙面上側をスパークプラグ１０の後端側という（図２から図５においても同じ）。図１に示すようにスパークプラグ１０は、中心電極２０と接地電極３０とを備えている。中心電極２０は絶縁体１１に保持され、接地電極３０は、絶縁体１１を保持する主体金具２３に接続されている。

絶縁体１１は、軸線Ｏに沿う軸孔１２が形成された略円筒状の部材であり、機械的特性や高温下の絶縁性に優れるアルミナ等のセラミックスにより形成されている。軸孔１２に挿入された中心電極２０は、絶縁体１１から先端が突出している。

中心電極２０は、絶縁体１１の軸孔１２に後端部が係止される棒状の部材である。中心電極２０は、Ｎｉを主成分とする有底円筒状の母材が、銅を主成分とする芯材を覆っている。母材はＮｉを５０ｗｔ％以上含む組成を有する。芯材を省略することは可能である。

図２は図１のＩＩで示す部分を拡大した中心電極２０及び接地電極３０の軸線Ｏを含む断面図である。図２は中心電極２０及び接地電極３０の全断面図である。中心電極２０の先端に、貴金属を主成分とするチップ２１が設けられている。チップ２１は、Ｐｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ等の貴金属のうちの１種または２種以上を５０ｗｔ％以上含む組成を有する。

図１に戻って説明する。中心電極２０は、軸孔１２内で端子金具２２と電気的に接続されている。端子金具２２は、高圧ケーブル（図示せず）が接続される棒状の部材であり、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成されている。端子金具２２は、先端側が軸孔１２に挿入された状態で、絶縁体１１の後端に固定されている。

主体金具２３は、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成された略円筒状の部材である。主体金具２３は絶縁体１１の先端側を取り囲み、絶縁体１１を内側に保持する。主体金具２３の外周面に、おねじ２４が形成されている。おねじ２４は、エンジン（図示せず）のねじ穴に螺合する部位である。屈曲した接地電極３０が主体金具２３に接続されている。

図２に示すように接地電極３０は、中心電極２０に対向する第１面３１と、第１面３１の反対の第２面３２と、を備える棒状の部材である。第２面３２には、第１面３１に向かって落ち込んだ窪み３３が形成されている。第１面３１には、窪み３３に対応する部位に、中心電極２０に向けて突き出た突出部３４が形成されている。突出部３４と中心電極２０との間に火花ギャップＧが形成されている。

突出部３４は、凸部３５と、被覆部４０と、を備えている。凸部３５は接地電極３０の第１面３１から中心電極２０に向けて隆起しており、接地電極３０と一体に形成されている。本実施形態では凸部３５は略円柱状である。凸部３５は、第１面３１と同じ方向を向く端面３６と、端面３６と第１面３１とを接続する側面３７と、を備えている。凸部３５は被覆部４０に覆われている。

被覆部４０は、凸部３５の端面３６を覆う端面被覆部４１と、凸部３５の側面３７を覆う側面被覆部４２と、を備えている。被覆部４０は、貴金属を主成分とする。被覆部４０は、Ｐｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ等の貴金属のうちの１種または２種以上を５０ｗｔ％以上含む組成を有する。

図３は図２のＩＩＩで示す部分を拡大した突出部３４の軸線Ｏを含む断面図である。図３に示すように凸部３５の端面３６の周縁３６ａは、端面３６の全周に亘って丸みが付されている。凸部３５の端面３６は、周縁３６ａを除いて平面である。本実施形態では、軸線Ｏは、周縁３６ａを除く端面３６の重心３９を通り、第１面３１に垂直である。重心３９は、端面３６のうち周縁３６ａを除く部位を平面図形としたときの、周知の手段で算出される点である。

図３において、凸部３５の端面３６の外縁３８は、凸部３５の側面３７を延長した仮想直線４７と周縁３６ａとが共有する点のことをいう。図３において、周縁３６ａの曲率半径Ｒは、Ｒ≧０．１ｍｍであることが好ましく、０．１ｍｍ≦Ｒ≦０．４５ｍｍであることがより好ましい。一例を挙げると突出部３４の直径は０．７ｍｍ程度、第１面３１からの突出部３４の高さは０．８ｍｍ程度である。

被覆部４０は、端面被覆部４１と、側面被覆部４２と、端面被覆部４１と側面被覆部４２との間を接続する接続部４３と、を備えている。図３において、接続部４３は、端面３６の外縁３８を通り第１面３１に平行な仮想直線４６と仮想直線４７との間に挟まれた部位である。埋設部４４は側面被覆部４２に連なる部位であり、接地電極３０の第１面３１から第２面３２（図２参照）に向かって埋め込まれている。埋設部４４は被覆部４０と同じ成分からなる。埋設部４４のうち第１面３１に露出する面は、第１面３１と滑らかに連なっている。

被覆部４０は、凸部３５の材料よりも線膨張係数が小さい材料によって作られている。凸部３５は、例えばニッケル合金、銅合金、鉄合金などによって作られる。被覆部４０の線膨張係数と凸部３５の線膨張係数との差αは、３．３×１０^－６／Ｋ≦α≦４．５×１０^－６／Ｋを満たすことが好ましい。

スパークプラグ１０の接地電極３０は、例えば以下のような方法によって製造される。まず、接地電極３０の第１面３１に、薄い板状の被覆部４０の素材を抵抗溶接により接合する。次に、第１面３１をダイ（図示せず）に押し当て、第２面３２にパンチ（図示せず）を押し当てて、接地電極３０及び素材の塑性変形により突出部３４を形成する。このときにパンチによって第２面３２に窪み３３が形成される。突出部３４の形状や大きさは、ダイの形状や大きさによって適宜設定される。被覆部４０の厚さは、被覆部４０の素材の厚さによって適宜設定される。

図３において、第１面３１の位置における凸部３５の幅の半分の値Ｗ、及び、接地電極３０の第１面３１の位置における側面被覆部４２の厚さＴ２は、０．１≦Ｔ２／Ｗ≦０．４を満たす。値Ｗは、第１面３１を延長した仮想直線４８が、凸部３５の側面３７によって切り取られた線分の長さ（凸部３５の幅）の半分の値である。厚さＴ２は、側面被覆部４２で仮想直線４８が切り取られた線分の長さである。０．１≦Ｔ２／Ｗ≦０．４を満たすことにより、被覆部４０の耐剥離性および突出部３４の耐火花消耗性を向上できる。

図３において、凸部３５の端面３６の重心３９を通り第１面３１に垂直な軸線Ｏと交わる位置における端面被覆部４１の厚さＴ１及び厚さＴ２は、０．４≦Ｔ２／Ｔ１≦０．９５を満たす。厚さＴ１は、端面被覆部４１で軸線Ｏが切り取られた線分の長さである。０．４≦Ｔ２／Ｔ１≦０．９５を満たすことにより、着火性および突出部３４の耐火花消耗性を向上できる。

図４は図３のＩＶで示す部分を拡大した突出部３４の断面図である。図５は図３のＶで示す部分を拡大した突出部３４の断面図である。図４及び図５に示すように凸部３５と被覆部４０との間には拡散層４５が形成されている。拡散層４５によって凸部３５に被覆部４０が接合される。拡散層４５は、凸部３５の成分と被覆部４０の成分とが混ざった層であり、接地電極３０の第１面３１に被覆部４０の素材を抵抗溶接によって接合するときに生じる。凸部３５と被覆部４０とが溶け合ってなる溶融部も拡散層４５に含まれる。

側面被覆部４２を凸部３５に接合する拡散層４５の第１面３１（図２参照）の位置における厚さＴ３（図４参照）は、拡散層４５によって仮想直線４８が切り取られた線分の長さである。換言すれば、厚さＴ３は、凸部３５の軸線Ｏに対して垂直な方向の、第１面３１の位置における拡散層４５の厚さである。

なお、側面被覆部４２の厚さＴ２に拡散層４５の厚さＴ３は含まれない。また、側面被覆部４２の厚さＴ２に、側面被覆部４２と埋設部４４とがなす隅の部分の厚さは含まれない。同様に、端面被覆部４１の厚さＴ１（図３参照）、及び、凸部３５の幅の半分の値Ｗに拡散層４５の厚さは含まれない。

凸部３５の端面３６（図５参照）の外縁３８の位置における拡散層４５の厚さＴ４は、拡散層４５によって仮想直線４６が切り取られた線分の長さである。換言すれば、厚さＴ４は、凸部３５の軸線Ｏに対して垂直な方向の、外縁３８の位置における拡散層４５の厚さである。

拡散層４５の厚さＴ４は、拡散層４５の厚さＴ３に比べて厚い。抵抗溶接のときに、例えば被覆部４０の素材の中央の表面粗さをその周りの表面粗さに比べて大きくして、素材の中央と接地電極３０との接触抵抗を増加させて発熱量を大きくすることにより、凸部３５の端面３６の位置の拡散層４５の厚さＴ４を厚さＴ３より厚くできる。拡散層４５の厚さＴ４を厚さＴ３より厚くすることにより、凸部３５の端面３６の外縁３８付近の応力集中を拡散層４５が緩和する効果を高められるので、被覆部４０のうち凸部３５の端面３６の外縁３８付近を覆う部分の剥離を抑制できる。

本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

（試験１）
第１実施形態におけるスパークプラグ１０を用いて、側面被覆部４２の厚さＴ２を凸部３５の幅の半分の値Ｗで除した値（Ｔ２／Ｗ）が、被覆部４０の耐剥離性に与える影響を調べる試験を行った。Ｎｉを主成分とするＮｉ合金（例えばインコネル（ＩＮＣＯＮＥＬは登録商標））で円柱状の凸部３５が形成され、Ｐｔを主成分とする貴金属合金で被覆部４０が形成されたスパークプラグ１０のサンプル１－６を作製した。サンプル１－６は、Ｗは一定にしてＴ２／Ｗの値を異ならせた。但しサンプル１－６は、側面被覆部４２の厚さＴ２を端面被覆部４１の厚さＴ１で除したＴ２／Ｔ１の値は０．６となるように一定にした。

各サンプルの突出部３４の近傍をバーナーで２分間加熱した後、空気中で１分間放置して冷却することを１サイクルとして、１０００サイクルの加熱冷却を繰り返す冷熱試験を行った。バーナーで加熱したときの突出部３４の温度が１０５０℃に到達するように、予めバーナーを設定した。

冷熱試験後、各サンプルの突出部３４の切断面を顕微鏡で観察して、凸部３５と被覆部４０との界面の全長のうち被覆部４０が凸部３５に接合されている界面の長さの割合（以下「接合割合」と称す）を算出した。被覆部４０が剥離した界面は酸化されているので、接合が維持されている界面と剥離した界面とを判別できる。サンプル１－６のうち接合割合が５０％以上のサンプルはＡと評価し、接合割合が５０％未満のサンプルはＢと評価した。結果は表１の「剥離」の欄に記した。

（試験２）
サンプル１－６を用いて、突出部３４の耐火花消耗性にＴ２／Ｗが与える影響を調べる試験を行った。初めにＣＴスキャナーを用いて、サンプル１－６の突出部３４の体積Ｖ１をそれぞれ測定した。

次に、排気タービン式過給機の付いた排気量２．０リットル、筒内気流１０ｍ／ｓのガソリンエンジンに各サンプルを取り付け、フルスロットル（回転数６０００ｒｐｍ）によるエンジンの１分間の作動とアイドリング状態の１分間の作動とを１５０時間繰り返した後、エンジンをフルスロットル（回転数６０００ｒｐｍ）で１００時間作動させる耐久試験を行った。なお、フルスロットルでエンジンを作動したときに、スパークプラグ１０の接地電極３０の先端から主体金具２３側に１ｍｍ離れた部位の温度が１０００℃に到達するように、燃料の噴射量などの条件を予め設定した。

耐久試験後はＣＴスキャナーを用いて、試験後の各サンプルの突出部３４の体積Ｖ２を測定し、消耗比（Ｖ１－Ｖ２）／Ｖ１を算出した。サンプル１－６のうち消耗比が０．２未満のサンプルはＡと評価し、消耗比が０．２以上のサンプルはＢと評価した。結果は表１の「消耗」の欄に記した。

表１の「剥離」の欄によれば、Ｔ２／Ｗが０．５のサンプル６は、Ｔ２／Ｗが０．４以下のサンプル１－５に比べ、凸部３５と被覆部４０との界面が長く剥離した。サンプル６は、サンプル１－５に比べて側面被覆部４２が厚いので、側面被覆部４２の線膨張係数と凸部３５の線膨張係数との違いによって側面被覆部４２と凸部３５の側面３７との界面に作用する力が大きくなり、側面被覆部４２が凸部３５の側面３７から剥がれやすくなったものと推察される。これに対し、Ｔ２／Ｗが０．４以下のサンプル１－５は、サンプル６に比べて側面被覆部４２が薄いので、側面被覆部４２と凸部３５の側面３７との界面に作用する力が小さく、被覆部４０の耐剥離性が向上したと推察される。

表１の「消耗」の欄によれば、Ｔ２／Ｗが０．０５のサンプル１は、Ｔ２／Ｗが０．１以上のサンプル２－６に比べ、消耗が大きかった。サンプル１は、サンプル２－６に比べて側面被覆部４２が薄いので、中心電極２０と突出部３４との間の火花放電によって側面被覆部４２が消耗し、凸部３５の側面３７が露出して凸部３５が消耗したものと推察される。これに対し、Ｔ２／Ｗが０．１以上のサンプル２－６は、サンプル１に比べて側面被覆部４２が厚いので、突出部３４の耐火花消耗性が向上したと推察される。従って、０．１≦Ｔ２／Ｗ≦０．４を満たすことで、被覆部４０の耐剥離性、及び、突出部３４の耐火花消耗性を向上できることが明らかになった。

（試験３）
第１実施形態におけるスパークプラグ１０を用いて、側面被覆部４２の厚さＴ２を端面被覆部４１の厚さＴ１で除した値（Ｔ２／Ｔ１）が、突出部３４の耐火花消耗性に与える影響を調べる試験を行った。Ｎｉを主成分とするＮｉ合金（例えばインコネル（ＩＮＣＯＮＥＬは登録商標））で円柱状の凸部３５が形成され、Ｐｔを主成分とする貴金属合金で被覆部４０が形成されたスパークプラグ１０のサンプル７－１５を作製した。サンプル７－１５は、Ｗ及びＴ１は一定にしてＴ２／Ｔ１の値を異ならせた。なお、サンプル７－１５は０．１≦Ｔ２／Ｗ≦０．４を満たす。

サンプル７－１５について、試験２と同じ耐久試験を行い、消耗比（Ｖ１－Ｖ２）／Ｖ１を算出した。サンプル７－１５のうち消耗比が０．２未満のサンプルはＡと評価し、消耗比が０．２以上のサンプルはＢと評価した。結果は表２の「消耗」の欄に記した。

（試験４）
サンプル７－１５を用いて、着火性にＴ２／Ｔ１が与える影響を調べる試験を行った。排気量２．０リットル、６気筒のＤＯＨＣガソリンエンジンに各サンプルを取り付け、エンジンの回転数２０００ｒｐｍ、吸気圧－４７ｋＰａの条件のもと、空燃比を次第に上げていき、点火信号に対して失火が１％に達した空燃比を調べた。失火の検出は、エンジンの燃焼室の筒内圧力を測定する圧力センサによって行った。サンプル７－１５のうち、失火が１％に達した空燃比が２２．０以上のサンプルはＡと評価し、その空燃比が２２．０未満のサンプルはＢと評価した。結果は表２の「着火」の欄に記した。

表２の「消耗」の欄によれば、Ｔ２／Ｔ１が０．３のサンプル７は、Ｔ２／Ｔ１が０．４以上のサンプル８－１５に比べ、消耗が大きかった。サンプル７は、サンプル８－１５に比べて側面被覆部４２が薄いので、中心電極２０と突出部３４との間の火花放電によって側面被覆部４２が消耗し、凸部３５の側面３７が露出して凸部３５が消耗したものと推察される。これに対し、Ｔ２／Ｔ１が０．４以上のサンプル８－１５は、サンプル７に比べて側面被覆部４２が厚いので、突出部３４の耐火花消耗性が向上したと推察される。

表２の「着火」の欄によれば、Ｔ２／Ｔ１が１．０のサンプル１５は、Ｔ２／Ｔ１が０．９５以下のサンプル８－１４に比べ、希薄燃焼が困難であった。サンプル１５は、サンプル８－１４に比べて側面被覆部４２が厚いので、突出部３４が太くなり、高い空燃比のもとでは着火性が低下したものと推察される。これに対し、Ｔ２／Ｔ１が０．９５以下のサンプル８－１４は、サンプル１５に比べて側面被覆部４２が薄いので、突出部３４を細くすることができ、着火性が向上したと推察される。従って、０．４≦Ｔ２／Ｔ１≦０．９５を満たすことで、着火性および突出部３４の耐火花消耗性を向上できることが明らかになった。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。例えば突出部３４の直径や高さは一例であり、この数値に限定されるものではない。

実施形態では、凸部３５の形状が円柱状の場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。凸部３５の形状は、ダイやパンチ（いずれも図示せず）の形状によって、三角柱や四角柱などの多角柱、円錐台、多角柱台など適宜設定される。凸部３５の形状に伴い、被覆部４０の形状も適宜設定される。

実施形態では、凸部３５の端面３６が、接地電極３０の第１面３１と平行である場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。第１面３１に対して凸部３５の端面３６が傾いていても良い。但し、第１面３１に対して凸部３５の端面３６が傾いている場合も、凸部３５の端面３６は中心電極２０に対向していることが好ましい。

実施形態では、凸部３５の端面３６の周縁３６ａに、全周に亘って丸みが付されている場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。丸みの代わりに、周縁３６ａに面取りを施すことは当然可能である。この丸みや面取りの大きさは適宜設定される。端面３６の周縁３６ａの丸みや面取りを省略して、端面３６の外縁３８を角張らせることは当然可能である。

実施形態では、被覆部４０に連なる埋設部４４が、接地電極３０の第１面３１に埋め込まれる場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。凸部３５を形成するときのダイ（図示せず）の大きさと被覆部４０の素材の大きさとを調整して、埋設部４４を省略することは当然可能である。

実施形態では、抵抗溶接によって被覆部４０の素材を接地電極３０に接合して突出部３４を形成する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。被覆部４０の素材を接地電極３０に接合する手段としては、アーク溶接や拡散接合など適宜設定される。

実施形態では、凸部３５の端面３６の重心３９を通り第１面３１に垂直な仮想直線が、スパークプラグ１０の軸線Ｏと一致する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。スパークプラグ１０の軸線Ｏが、凸部３５の端面３６の重心３９を通る必要はない。

１０ スパークプラグ
２０ 中心電極
３０ 接地電極
３１ 第１面
３４ 突出部
３５ 凸部
３６ 端面
３７ 側面
３８ 端面の外縁
３９ 端面の重心
４０ 被覆部
４１ 端面被覆部
４２ 側面被覆部
４５ 拡散層
Ｇ 火花ギャップ
Ｏ 軸線（仮想直線）
Ｔ１ 端面被覆部の厚さ
Ｔ２ 側面被覆部の厚さ
Ｔ３ 拡散層の厚さ
Ｔ４ 拡散層の厚さ
Ｗ 凸部の幅の半分の値

Claims (2)

1. 中心電極と、
   前記中心電極へ向けて突出する突出部を有し、前記中心電極との間に火花ギャップを形成する接地電極と、を備え、
   前記突出部は、前記接地電極のうち前記中心電極に対向する第１面から隆起する凸部と、前記凸部を覆い貴金属を含有する被覆部と、を備え、
   前記凸部は、前記第１面と同じ方向を向く端面と、前記端面の外縁と前記第１面とを接続する側面と、を備え、
   前記被覆部は、前記端面を被覆する端面被覆部と、前記側面を被覆する側面被覆部と、を備えるスパークプラグであって、
   前記凸部と前記被覆部との間に、前記凸部の成分と前記被覆部の成分とが混ざった拡散層が形成され、
   前記凸部の前記端面の重心を通り前記第１面に垂直な平面で切断した切断面において、
   前記第１面の位置における前記側面被覆部の厚さをＴ２とし、前記第１面の位置における前記凸部の幅の半分の値をＷとしたときに、０．１≦Ｔ２／Ｗ≦０．４を満たし、
   前記凸部の幅方向における前記拡散層のうち軸線に対して垂直な方向の厚さは、前記端面の位置の方が前記第１面の位置よりも厚いスパークプラグ。
2. 前記切断面において、
   前記凸部の前記端面の重心を通り前記第１面に垂直な仮想直線と交わる位置における前記端面被覆部の厚さをＴ１としたときに、０．４≦Ｔ２／Ｔ１≦０．９５を満たす請求項１記載のスパークプラグ。

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