JPH01105485A - 内燃機関用スパークプラグ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は耐火花消耗性を有した卑金属材料で構成された
火花放電部を電極に備えた内燃機関用スパークプラグに
関するものである。

〔従来の技術〕

従来の内燃機関用スパークプラグにおいては、特開昭５
７−１８０８８６号公報に開示されているように、中心
電極および／または接地電極に、貴金属で構成された火
花放電層（以下放電層）を抵抗溶接等の方法で接合した
ものがある。

このスパークプラグは放電層において火花放電が行われ
るが、放電層が貴金属で構成されているため、放電層の
火花消耗が少なく、従って寿命が長いという利点がある
。

しかしながら、上記従来のスパークプラグは放電層が貴
金属で構成されているため、価格の上昇を招くという難
点がある。

そこで、従来の他の例として、放電層の材料に安価なタ
ングステン合金を用いたものが特開昭６１−２６７４８
号公報に開示されている。

これは、クロム（ｃｒ）１５〜４０重量％、残部タング
ステン（Ｗ）よりなる合金、あるいはＣｒ１５〜３５重
量％、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｊ２）、ニ
ッケル（Ｎ　ｉｌ、）　、鉄（Ｆｅ）の群から選択した
一つを１〜１０重量％、および残部Ｗよりなる合金で前
記放電層を構成したものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、スパークプラグの電極に設けられる放電
層を上記のタングステン合金で構成した場合、価格的に
安価である反面、高温酸化が激しく、放電層の消耗が著
しくなり、従って長寿命という点で難点があることを見
出したのである。

本発明は、かかる問題点を解決しようとするものである
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、本発明者の鋭意研究により、従来考えられて
いなかった極めて高い濃度のＣｒを含む卑金属で火花放
電部を構成したものである。

即ち、一対の電極を有し、該一対の電極間で火花放電を
発生させるようにした内燃機関用スパークプラグにおい
て、前記一対の電極のうちの少なくとも一方の電極に火
花放電部を備え、該火花放電部が少なくとも９０重量％
のクロムを含む卑金属材料により構成されているという
技術的手段を採用したものである。

上記構成のスパークプラグにおいては、火花放電部の厚
さを少なくとも０．３　ｍｍとすることが好ましい。

また、上記火花放電部と上記いずれか一方の電極との間
に熱応力緩和部を設けてよい。この熱応力緩和部は、上
記一方の電極の母材の線膨張係数と前記火花放電部の卑
金属材料の線膨張係数との間に位置する線膨張係数を有
した卑金属材料により構成される。

〔実施例〕

以下本発明を具体的実施例により詳細に説明する。

第１図および第２図において、１はアルミナ磁器からな
る絶縁碍子で、中心に軸穴１ａが設けである。２は炭素
鋼からなる中軸で、絶縁碍子１の上部に挿通しである。

３は黄銅等からなる端子で、中軸２の頭部にねじ込み固
定しである。４は円筒状のハウジングで耐熱導電性の金
属で構成してあり、このハウジング４の内側にリング状
の気密パツキン５およびかしめリング６を介して前記絶
縁碍子１が固定しである。なお、ハウジング４にはエン
ジンブロックに固定するためのねじ部４ａが設けである
。７は耐熱、耐蝕、導電性金属、例えばＮｉ−Ｃｒ系の
インコネル材からなる外装部７ａと銅芯部７ｂとから構
成された中心電極である。

８は本発明における火花放電部であり、円板形状に形成
してあって、中心電極７の先端端面に抵抗溶接等の方法
で接合しである。９は、耐熱、耐蝕、導電性金属、例え
ばＮｉ−Ｃｒ系のインコネル材からなる接地電極で、前
記ハウジング４の端面に接合されている。１０は、本発
明の火花放電部で、上記放電部８に対向する位置に抵抗
溶接等の方法で接合しである。この火花放電部１０は、
円板状もしくは楕円板状に形成しである。１１は、絶縁
碍子１の軸穴１ａの内に封着した導電性ガラスシール層
であり、銅粉末と低融点ガラスから構成されており、こ
のシール層１１で中軸と中心電極７とを電気的に接続す
ると共に、両者を絶縁碍子１の軸穴１ａに移動なきよう
固定しである。

本発明は、上記火花放電部８．１０の組成に係わるもの
であり、この火花放電部８．ｌＯを少なくとも９０％の
Ｃｒを含む卑金属材料で構成し、かつ上記火花放電部の
厚さ（ＴＡ　、　Ｔ＋＋　）を０．３胴以上にしたもの
である。

第３図〜第５図は、耐火花消耗性と密接に関連する材料
特性である融点、熱伝導度、電気抵抗とＣｒ含有量との
関係を調査したものである。なお、純Ｃｒについては、
９９．９％と９９．９−９％の例が示しである。

第６図は、本発明の材料中耐酸化性が若干劣るＣ−ｒ　
−Ｗ合金の耐酸化性について調べたものであり、大気中
で１時間各部度で加熱し、酸化重量増加率を調べたもの
である。

さて、第３図〜第５図の結果より、Ｆｅ、Ｎｉ。

Ｃｏについては、これらの添加量が１０％を上回り、Ｃ
ｒが９０％を下回ると、融点、熱伝導度、電気抵抗は急
激に悪い方向に変化する。また、第３図〜第６図の結果
より、Ｗは、Ｗの添加量が増加するに従い、熱伝導度、
電気抵抗が悪い方向に変化し、特に耐酸化性はＷの添加
量１０％以上すなわちＣｒ含有量９０％以下で急激に悪
くなる。

次に、具体的に耐火花消耗性について実験を行った結果
を第７図に示す。この実験は、圧力５ｋｇ／ｄ、温度２
００°Ｃの圧力容器内空気中で火花エネルギー５０ｍＪ
の点火電源を用い、火花回数１２０００発／分で１００
時間火花放電を行ったものである。上記圧力容器に取付
けたスパークプラグには、その中心、接地の両電極に第
２図のごとく火花放電部８．１０（厚さ約１ｍｍ）が接
合してあり、このプラグは日本電装株式会社製造の品番
Ｗ１６ＥＸＲ−Ｕを基本構造としている。第７図の結果
から明らかなごとく、火花放電部のＣｒ含有量が多いほ
ど火花消耗量は少なく、９０％以上では極めて優れた耐
火花消耗性を示すことがわかる。なお、このことは実際
のエンジンで実験しても同じことが言える。

なお、本発明によるクロム合金および純クロムは冷間鍛
造性が若干悪いため、通常の溶解材により本発明を達成
する他に本発明による金属材料の粉末を圧縮成型して焼
結する、いわゆる焼結合金の製造方法で作成することも
有効である。しかし、焼結合金にて作成する場合、焼結
密度／理論密度によって耐火花消耗性の悪化が考えられ
るので、焼結密度／理論密度と火花消耗との関係につい
て調べた。その結果を第８図に示す。実験の方法は第７
図の実験と同じ方法にて行い、使用したスパークプラグ
には、その中心、接地の両電極に第２図のごとく火花放
電部８．１０（厚さ約１ｍｍ）が接合してあり、この火
花放電部８．１０の焼結密度／理論密度を種々変えて実
験した。このプラグは日本電装株式会社製造の品番Ｗ１
６ＥＸＲ−Ｕを基本構造としている。第８図の結果から
明らかなごとく火花放電部の焼結密度／理論密度は高い
ほど火花消耗量は少ないが、焼結密度／理論密度が９０
％以上あれば、密度１００％のものと、火花消耗量はほ
とんど変わらず良好であるということが分かる。

ところで、上記実施例においては、火花放電部８．１０
と電極７，９とは材料が異なっているため、それぞれの
材料の線膨張係数の差により、火花放電部および、火花
放電部と電極との間、および電極には熱応力が発生する
。そこで、熱応力による影響を実験した。実験に用いた
プラグとして日本電装株式会社製の品番Ｗ１６ＥＸ−Ｕ
を用い、このプラグの中心、接地の両電極に、各種の厚
さＴＡ、Ｔｍの純度９９．９％の純Ｃｒ（残部は不可避
的不純物）より成る線膨張係数６．５Ｘ１０−６／°Ｃ
の火花放電部を抵抗溶接法で接合したものである。また
、中心、接地の両電極は７７．５％のＮｉ、１５．５％
のＣｒ、及び７％のＦｅの合金材料よりなり、線膨張係
数は１３．５　Ｘ　１０−ｂ／’Ｃである。

実験は、プラグを２６００ｃｃ４サイクルエンジンに装
着し市場において最も熱応力の発生の著しい運転条件で
あるＷ、Ｏ，Ｔ５０００ｒ、ｐ、ｍ。

で１分間運転後、１分間アイドル運転をし、これを繰り
返し１００時間行うものである。

その結果を第９図に示す。第９図は、中心電極側火花放
電部および接地電極側火花放電部の厚さ（Ｔａ　、Ｔ［
ｌ）を横軸に、各厚さにおいて各々４個ずつ試験をした
時に第１０図に示す縦亀裂の発生率を縦軸に示しである
。第９図より明らかなように中心電極側、接地電極側と
も火花放電部の厚さが薄くなると、中心、接地の両電極
の火花放電部ともに、第１０図に示す火花放電面から火
花放電部と電極の溶接面の方への縦亀裂１４が発生する
。しかし火花放電部の厚さＴＡ、Ｔ、とも０．３ｍ以上
にすれば、第１０図に示す縦亀裂１４の発生はなくなる
。また、火花放電部の厚さＴａ、Ｔｓを０．３閣以上に
し縦亀裂１４の発生を抑制すると、第１１図に示す様に
火花放電部の火花放電部と電極との溶接面近傍に、溶接
面とほぼ平行に横亀裂１５が発生する場合がある。この
横亀裂１５は、通常の市場−での使用においては、発生
も認められなかったが、近年のエンジンの高出力化、高
性能化の要求の中にあって、長期間の使用によって横亀
裂１５０発生により火花放電部が脱落する可能性がある
ということを確認することができた。

そこで、横亀裂抑制のため、火花放電部と電極との間に
熱応力緩和部を設けた実施例が第１２図である。この第
１２図において、第２図と同一符号は第２図と同一の構
成を示しており、熱応力緩和部は符号１２および１３で
示しである。

電極７の母材金属（外装部７ａ）および電極９の母材金
属は一般的に前述したようにインコネル６００（商品名
）等よりなっていて、−船釣に線膨張係数は１３．５ｘ
１０−６／”ｃ〜１４．０×１０−６／℃である。一方
、火花放電部８．１０を構成するＣｒを９０％以上含有
した高濃度Ｃｒ合金の卑金属材料の線膨張係数は６．５
　ｘ　１０−６／”ｃ〜７．０×ＩＯ−６／℃である。

従って、電極７，９と火花放電部８．１０との間には７
．　ＯＸ　１０−６／℃の線膨張係数の差があり、この
差に起因する熱応力で火花放電部８．１０に亀裂が生じ
るのである。ここで、熱応力緩和部１２．１３の線膨張
係数及び厚さＴ。、Ｔｎと火花放電部８．１０に発生す
る横亀裂の有無との関係を求めた例が第１３図である。

実験に用いたプラグとして日本電装株式会社製の品番Ｗ
Ｉ６Ｅｘ−Ｕを用い、このプラグの中心、接地の両電極
に、各種の厚さ（’ｒｅ　、　ＴＤ　）の線膨張係数を
、１３．５Ｘ１０−６／’Ｃから６．５×１０−６／℃
まで種々変えたニッケルークロム合金製の熱応力緩和部
および肉厚１．０＋ｎｍ　（ＴＥ、Ｔ、）の純度９９．
９％の純Ｃｒ（残部は不可避的不純物）より成る線膨張
係数６．５　Ｘ　１０−６／℃の火花放電部を抵抗溶接
方で接合したものである。また、中心、接地の両電極は
７７．５％のＮｉ、１５．５％のＣｒ、および７％のＦ
ｅの合金材料よりなり、線膨張係数は１３．５ｘｌＯ−
’／’ｃである。実験は、熱応力緩和部の厚さ（Ｔｃ　
、　’ｒｎ　）と線膨張係数を種々変えた上記プラグを
２６００ｃｃ４サイクルエンジンに装着し、５０００ｒ
、ｐ、ｍ、で１分間運転後１分間アイドル運転をし、こ
れを繰り返し１００時間行うものである。

第１３図から明らかなように、火花放電部８゜１０に横
亀裂を発生しない熱応力緩和部１２，１３の卑金属材料
の線膨張係数は８．５　Ｘ　１０−６／℃〜１２．　Ｏ
Ｘ　１０−６７”Ｃであることがわかる。この範囲の線
膨張係数を得るには、実験に用いたニッケルークロム合
金ではクロムの含有量が５０％〜８５％（残部５０〜１
５％はニッケル）必要である。さらに、横亀裂の発生し
ない熱応力緩和部の必要厚さＴＩｌ、Ｔｃは線膨張係数
が１０．０×１０−６／℃で０．０５薗以上必要であり
１０．ＯＸ　１０−６／°Ｃよりも大きくなっても、小
さくなっても、熱応力緩和部の必要厚さＴ。、Ｔｃは厚
くなり、線膨張係数が８．５　Ｘ　１０−６／’Ｃのと
き、０．１５世以上、線膨張係数が１２．ＯＸ　１０−
’／’Ｃのときは、０．１閣以上必要となることがわか
る。さらに、熱応力緩和部を上記のようにもうけること
により、火花放電部の厚さＴｔ、Ｔｒを０．３　ｍｍ以
下としても第９図に示す不具合は発生しないことがわか
った。

しかし、火花放電部の厚さは、製造面からの制約および
長寿命という目的のためには０．１　ｍｍ以上を確保す
ることが望ましい。

このようムこ、熱応力緩和部１２．１３を構成する卑金
属材料の線膨張係数を、電極７．９の母材の線膨張係数
と火花放電部８，１０を構成する卑金属材料の線膨張係
数との間に適当な厚さで位置させることで、火花放電部
８．ＩＯの亀裂の発生を回避させることができる。

第１４図は本発明の更に他の実施例を示すものである。

この実施例は、中心電極側の火花放電部８を前記実施例
のように薄層状に代えて棒状にし、絶縁碍子１の軸穴１
ａの奥まで配置して中心電極７とＦの位置で接合したも
のである。この実施例において、火花放電部は前記実施
例と同じ＜Ｃｒ９０％以上を含有した卑金属材料で構成
しである。

このＣｒ９０％以上を含有した卑金属材料の線膨張係数
は絶縁碍子１のアルミナ焼結体の線膨張係数に近似して
いるため、火花放電部８と絶縁碍子１の軸穴との間の隙
間を無くすことも可能であり、プラグの小型化へのニー
ズに答えることができる。

本発明は上記実施例に限定されず、次のように種々の変
形が可能である。

（１）火花放電部は中心および接地の両電極に設けたが
、どちらか一方の電極に設けてもよい。このことは火花
放電部−熱応力緩和部の組合わせのものについても同様
のことがいえる。

（２）火花放電部の卑金属材料には１０％までのＦｅ、
Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗの１つが含まれていてもよいとしたが、
これらが２つ以上組み合わさって含まれていてもよいし
、また、これら以外の別の金属あるいは不可避的不純物
が含まれていてもよく、要はＣｒが９０％以上含まれて
いればよい。

（３）熱応力緩和部は５０％〜８５％のＣｒおよび５０
％〜１５％のＮｉの合金材料に限らず、５２％Ｆｅ−４
２％Ｎｉ−６％Ｃｒ合金（線膨張係数８．５〜９．２Ｘ
１０−６／’Ｃ）、４７％Ｆｅ−４７％Ｎｉ−６％Ｃｒ
合金（線膨張係数１０．０〜１１．ＯＸ　１０−６／℃
）等の、Ｎｉ、Ｃｒのうちの１つまたは２つを５％〜５
０％含有し残部９５％〜５０％ＦｅからなるＦｅ−Ｎｉ
合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金で構成してもよい。また、
熱応力緩和部はＮｉおよびＣｒの少なくとも１つを５％
〜５０％、Ｔｉおよび／またはＡＩ！、の１つを６％以
下、および残部９５％〜４４％のＦｅよりなる合金で構
成してもよい。また、耐酸化性を向上するために１％以
下のチタンおよび／もしくは５％以下のアルミニウムを
添加した合金で構成してもよい。

（４）中心電極７または接地電極９の母材は、９３％Ｎ
ｉ−２％Ｃｒ−３％Ｍｎ−２％Ｓｉで構成してもよい。

（５）火花放電部と熱応力緩和部とは互いに抵抗溶接に
よって接合したが、拡散溶接で接合してもよい。また、
熱応力緩和部を電極に溶接後、熱処理することで両者の
接合部に合金層を形成し、熱応力の緩和を一層図っても
よい。なお、この合金層の厚さは１０μｍ以上がよい。

このことは火花放電部についてもいえる。

〔発明の効果〕

以上詳述した本発明によれば、次に述べる効果を奏する
。

（１）スパークプラグの電極に、少なくとも９０％のＣ
ｒを含有した卑金属材料で構成された火花放電部を備え
ることにより、火花放電部の消耗を飛躍的に向上するこ
とができ、従って安価で長寿命のスパークプラグを得る
ことができる。

（２）上記の火花放電部の厚さを少なくとも０．３胴と
することにより、該火花放電部に発生する横亀裂を抑制
して火花放電部の脱落を防止できる。

（３）また、電極の前記火花放電部とこの電極の母材と
の間に、両者の線膨張係数の間に位置する線膨張係数を
有する卑金属材料よりなる熱応力緩和部を配置すること
により、火花放電部と電極の母材との間の熱応力を熱応
力緩和部で緩和することができ、従って長期間の使用に
よる火花放電部の縦亀裂の発生回避できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す半断面図、第２図は第
１図の要部拡大断面図、第３図〜第５図および第７図は
本発明において、Ｃｒ含有量によ明の他の実施例の要部
を示す拡大断面図、第１２ダ 図は本発明の作用説明に供する特性図、第１客図は本発
明の更に他の実施例を示す断面図である。 ７・・・中心電極、８・・・火花放電部、９・・・接地
電極。 １０・・・火花放電部、１２．１３・・・熱応力緩和部
。 Ｃｒ　省ｆＩｉ　（ｗｔｌ　） 第３図 第４図 Ｃｒ　鵠’ｉ（ＷｔＸ） 第１２図 第１１図 第１３図 第１４図

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）一対の電極を有し、該一対の電極間で火花放電を
   発生させるようにした内燃機関用スパークプラグにおい
   て、前記一対の電極のうちの少なくとも一方の電極に火
   花放電部を備え、該火花放電部が少なくとも９０重量％
   のクロムを含む卑金属材料により構成されていることを
   特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
2. （２）前記火花放電部の厚さは少なくとも０．３ｍｍで
   あることを特徴とする請求項１記載の内燃機関用スパー
   クプラグ。
3. （３）前記火花放電部は、クロム９０重量％以上と、鉄
   、ニッケル、コバルト、タングステンの群から選択され
   た少なくとも一つの金属１０重量％以下との合金より構
   成されており、前記クロムと前記少なくとも一つの金属
   との総和は１００重量％であることを特徴とする請求項
   １記載の内燃機関用スパークプラグ。
4. （４）前記火花放電部は、不可避的不純物を含有した純
   クロムから構成されていることを特徴とする請求項１記
   載の内燃機関用スパークプラグ。
5. （５）前記火花放電部は、前記一対の電極の両方に備え
   られていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関用
   スパークプラグ。
6. （６）一対の電極を有し、該一対の電極間で火花放電を
   発生させるようにした内燃機関用スパークプラグにおい
   て、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極に、熱
   応力緩和部および火花放電部を備え、前記熱応力緩和部
   は前記一方の電極の母材と前記火花放電部との間に位置
   しており、前記火花放電部は少なくとも９０重量％のク
   ロムを含む卑金属材料により構成されており、前記熱応
   力緩和部は、前記一方の電極の母材の線膨張係数と前記
   火花放電部の卑金属材料の線膨張係数との間に位置する
   線膨張係数を有した卑金属材料により構成されているこ
   とを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
7. （７）前記熱応力緩和部の卑金属材料の線膨張係数は８
   ．５×１０＾−＾６／℃〜１２．０×１０＾−＾６／℃
   であることを特徴とする請求項６記載の内燃機関用スパ
   ークプラグ。
8. （８）前記熱応力緩和部の卑金属材料の線膨張係数は、
   ８．５×１０＾−＾６／℃〜１２．０×１０＾−＾６／
   ℃とし、かつ、線膨張係数が１０×１０＾−＾６／℃の
   ときは、前記熱応力緩和部の厚さを少なくとも０．０５
   ｍｍとし、線膨張係数が、８．５×１０＾−＾６／℃〜
   １２．０×１０＾−＾６／℃の範囲内で、１０×１０＾
   −＾６／℃より大きくなる場合も、小さくなる場合も前
   記熱応力緩和部の厚さは厚くなり、線膨張係数が８．５
   ×１０＾−＾６／℃のときは、前記熱応力緩和部の厚さ
   を少なくとも０．１５ｍｍとし、線膨張係数が１２．０
   ×１０＾−＾６／℃のときは、前記熱応力緩和部の厚さ
   を少なくとも０．１ｍｍとしたことを特徴とする請求項
   ６記載の内燃機関用スパークプラグ。
9. （９）前記熱応力緩和部の卑金属材料は、 （ａ）ニッケル５０重量％〜１５重量およびクロム５０
   重量％〜８５重量％よりなる合金、 （ｂ）ニッケルおよびクロムの少なくとも１つを５重量
   ％〜５０重量％および残部９５重量％〜５０重量％の鉄
   よりなる合金、 （ｃ）ニッケルおよびクロムの少なくとも１つを５重量
   ％〜５０重量％、チタンおよびアルミニウムの少なくと
   も１つを６重量％以下および残部９５％〜４４％の鉄よ
   りなる合金、の（ａ）乃至（ｃ）の群から選択された一
   つの合金材料よりなることを特徴とする請求項６記載の
   内燃機関用スパークプラグ。
10. （１０）前記火花放電部は、クロム９０重量％以上と、
    鉄、ニッケル、コバルト、タングステンの群から選択さ
    れた少なくとも一つの金属１０重量％以下との合金より
    構成されており、前記クロムと前記少なくとも一つの金
    属との総和は１００重量％であることを特徴とする請求
    項６記載の内燃機関用スパークプラグ。
11. （１１）前記火花放電部は、不可避的不純物を含有した
    純クロムから構成されていることを特徴とする請求項６
    記載の内燃機関用スパークプラグ。
12. （１２）前記火花放電部および前記熱応力緩和部は、前
    記一対の電極の両方に備えられていることを特徴とする
    請求項６記載の内燃機関用スパークプラグ。