JPH0513146A - 内燃機関用スパークプラグ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 内燃機関に装着されるスパークプラグにおい
て、特に燃焼室内に突出する接地電極の複合構造に関す
る。 【構成】 接地電極を構成する芯部の金属を、良熱伝導
性であるニッケル、或はニッケル合金からなるものと
し、外層部の金属を芯部を構成する金属よりも高温酸化
性に優れるニッケル合金からなるものとすると共に、上
記外層部の金属の厚さＨを、０．２５ｍｍ≦Ｈ≦０．３
５ｍｍとすることで、接地電極自体の主体金具への熱伝
導性を確保した上で、高温酸化性を高めることで耐高温
酸化腐食性、及び火花消耗性を向上させることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、内燃機関に使用され
るスパークプラグの接地電極の構造に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、内燃機関のターボチャージャー等
の補機類の装備による高性能化に伴って、内燃機関の燃
焼室内における混合気の燃焼によって発生する熱量が大
きくなるにつれて、燃焼室内に突出するスパークプラグ
の接地電極の受熱量も大きくなり、この受熱により高温
となった接地電極がプレイグニッションの原因の一つと
なるので、この接地電極の熱伝導性を向上させること
で、接地電極自体の温度を低下させ、プレイグニッショ
ンの発生を抑制するために、この接地電極を中心部材と
外周部材からなる複合構造とするもの（特開昭６０−４
１７８５号）が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のものにおいて、特開昭６０−４１７８５号の場合、
接地電極を中心部材と外周部材からなる複合構造とする
ことだけが示されているが、複合構造の接地電極におけ
る性能は、熱伝導性と耐酸化性等の相反する特性を有す
る各部材を組み合わせの構成比により発揮されるもので
あるが、接地電極を構成する各部材の構成比については
何等触れられてはいなかった。

【０００４】また、複合構造とした接地電極の各部材の
構成比について具体的に寸法規制をして、その構成比に
ついて明らかにしているもの（特願平１−１０３１２４
号）等もあるが、特願平１−１０３１２４号の場合、折
損対策を目的とするものであり、接地電極を構成する芯
材に高強度材を使用するものであり、またその接地電極
を構成する各部材の構成比も異なるものである。

【０００５】そこで、この発明は上記従来のものの持つ
欠点を改善するものであり、燃焼室内に突出し、混合気
の燃焼に伴う受熱により高温となるスパークプラグの接
地電極における熱伝導性を向上させて、接地電極の温度
を低下させることで耐酸化性を改善しようとするもので
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そのために、複合構造で
あるスパークプラグの接地電極を構成する芯部には、良
熱伝導性の純ニッケル、或はニッケル合金の使用が望ま
しく、しかもその構成比も大きくするほうが適当である
が、純ニッケル、或はニッケル合金は耐酸化性及び高温
強度が劣るため単体で使用すると酸化腐食により火花消
耗が加速されたり、火花消耗を防止するために接地電極
側に白金チップを具える場合には、高温強度が低くなる
ので、外周部材が必要となることから、芯部の良熱伝導
性のニッケル、或はニッケル合金等の金属と、この芯部
を被覆し、外層部をなす高温耐酸化性に優れるニッケル
合金等の金属からなる複合構造とするものである。

【０００７】更に、この外層部において、この外層部の
ニッケル合金元素量を増大すると、混合気の燃焼に伴う
高温の燃焼ガスに対する耐酸化性は向上するものである
が、火花消耗性は逆に低下してしまうものとなるが、実
験上外層部の火花放電に伴う消耗量は０．２５ｍｍ程度
であり、少なくとも外層部の厚さＨは０．２５ｍｍ以上
は必要となり、又、接地電極を構成する外層部の厚さＨ
の上限値は、良熱伝導性である芯部の金属への熱伝導性
を考慮して０．３５ｍｍ程度が適当である。

【０００８】そして、接地電極の中心電極の先端に対向
する位置に白金チップを使用する場合には、白金チップ
の接合固定の際に外層部が変形して薄肉化してしまうの
で、この白金チップ接合部の外層部の厚さが余りに薄く
なりすぎると、白金チップとニッケル合金との熱膨張係
数の差から発生する熱応力が、芯部を構成する金属と外
層部との接合強度より強くなり、芯部と外層部との間に
空隙が発生し接地電極自体の強度が低下してしまうの
で、少なくとも外層部の厚さＨは０．２５ｍｍ以上必要
となり、一方外層部から芯部への熱伝導性を考慮して、
外層部の厚さＨの上限値０．３５ｍｍ以下が適当なもの
である。

【０００９】

【作用】上記の構成を具えるので、混合気の燃焼に伴っ
て発生する高温の燃焼ガスにスパークプラグの接地電極
が曝されても、接地電極を複合構造で構成する外層部が
耐酸化性に優れるニッケル合金によりなるものであるこ
とから、高温となる燃焼ガスによる酸化腐食は十分に防
げると共に、芯部を構成する金属が良熱伝導性であるニ
ッケル、或はニッケル合金よりなるものであるから、高
温となった接地電極の熱を効率よく熱伝導することがで
きるので、接地電極自体の温度の上昇を抑制し、プレイ
グニッションの発生を防止することができる。

【００１０】また、接地電極を構成する外層部の厚さＨ
を少なくとも０．２５ｍｍ以上とすることから、接地電
極に火花放電に伴う消耗を防止することを目的として白
金チップを取り付けても、接地電極を構成する芯部の金
属と外層部との接合強度を、熱膨張係数の差によって生
じる熱応力よりも高めることができるので、接地電極の
強度を低下させることもなく、更に白金チップを取付な
くても火花放電による消耗量以上を確保しているので、
接地電極の強度を十分に確保することができる。

【００１１】そして、接地電極を構成する外層部の厚さ
Ｈは、０．３５ｍｍ以下としているので、芯部を構成す
る金属への熱伝導性を十分に確保することができる。

【００１２】

【実施例】この発明を図に示す実施例により更に説明す
る。（１）は、この発明の実施例であるスパークプラグ
の先端（１）であり、このスパークプラグの先端（１）
は、絶縁体（２）に保持される中心電極（３）と、この
中心電極（３）の先端の対向する位置に配置され、上記
絶縁体（２）を外周から保持する主体金具（４）に一体
に接合される接地電極（５）からなるものである。

【００１３】そして、この接地電極（５）は、良熱伝導
性の純ニッケル或はニッケル合金の芯部（６）と、この
良熱伝導性の金属からなる芯部（６）を被覆してなる外
層部（７）からなる複合構造であり、上記芯部（６）の
金属を良熱伝導性ニッケル、或はニッケル合金からなる
ものとし、又、上記外層部（７）の金属を、芯部（６）
を構成する金属よりも高温耐酸化性に優れるニッケル合
金とし、更にこの外層部（７）の厚さＨを、０．２５ｍ
ｍ≦Ｈ≦０．３５ｍｍとしてなるものである。

【００１４】なお、接地電極（５）の芯部（６）は、接
地電極（５）を受けた熱を主体金具（４）へ効率よく熱
伝導を行なうことを目的としているので、良熱伝導性の
純ニッケルが適当であるが、長時間高温で純ニッケルか
ら構成される接地電極（５）が曝されると、結晶粒の粗
大化、及び酸化腐食が進行することとなるので、接地電
極（５）の熱伝導率（望ましくは、８０Ｗ／ｍ・ｋ以
上）が低下しない範囲で、微量の合金元素（Ｆｅ、Ｓ
ｉ、Ｍｎ等を１ｗｔ％未満）を添加した材料（例えば、
Ａニッケル等）でもよい。

【００１５】更に、接地電極（５）を構成する外層部
（７）は、耐酸化性、耐火花消耗性のみを考慮すると合
金元素の添加量が１０ｗｔ％以下のニッケル合金が望ま
しいが、酸化腐食性は合金元素量が多いほど優れた特性
を示すが、熱伝導性、火花消耗性は逆の傾向を示すもの
となるので、接地電極（５）を構成する芯部（６）にお
いて良熱伝導性の純ニッケル、或はニッケル合金を配す
ると共に、外層部（７）には少なくとも熱伝導率が２５
Ｗ／ｍ・ｋ以上の材料よりなるものとし、接地電極
（５）の受けた熱の主体金具（４）への熱伝導性を確保
する。

【００１６】この発明は以上の構成を具えるので、混合
気の燃焼に伴って発生する高温の燃焼ガスにスパークプ
ラグの接地電極（５）が曝されても、接地電極（５）を
芯部（６）及び外層部（７）からなる複合構造におい
て、この接地電極（５）を構成する外層部（７）が耐酸
化性に優れるニッケル合金によりなるものであることか
ら、高温となる燃焼ガスによる酸化腐食は十分に防げる
と共に、芯部（６）を構成する金属が良熱伝導性である
ニッケル、或はニッケル合金よりなるものであるから、
高温となった接地電極（５）の熱を効率よく主体金具
（４）へ熱伝導することができるので、接地電極（５）
自体の温度の上昇を抑制し、プレイグニッションの発生
を防止することができる。

【００１７】また、接地電極（５）を構成する外層部
（７）の厚さＨを少なくとも０．２５ｍｍ以上とするこ
とから、接地電極（５）に火花放電に伴う消耗を防止す
ることを目的として白金チップ（８）を取り付けても、
接地電極（５）を構成する芯部（６）と外層部（７）と
の接合強度を、白金チップ（８）と外層部（７）の接合
部における熱膨張係数の差によって生じる熱応力よりも
高めることができるので、接地電極（５）の強度を低下
させることもなく、更に白金チップ（８）を取付なくて
も火花放電による消耗量以上を確保しているので、接地
電極（５）の強度を十分に確保することができる。

【００１８】そして、接地電極（５）を構成する外層部
（７）の厚さＨは、０．３５ｍｍ以下としているので、
芯部（６）を構成する金属への熱伝導性を十分に確保す
ることができる。

【００１９】そこで、先ずこの発明の実施例を具えるス
パークプラグの接地電極について、様々に芯部（６）を
構成する金属を変えて、熱伝導率試験、酸化腐食試験及
び、机上又は実機における火花消耗試験を行なった。

【００２０】なお、接地電極（５）に対する熱伝導率試
験は、各種電極材料をスパークプラグ形状に組み込み、
プラグガスケット面にＣＡ温測点を設け、冷却温度を一
定に保つように水量を調節する水冷チェンバーに装着し
て、細径の熱電対をガス部に配設し、ガス量、エアー量
を制御することでバーナーガス温度をガス温度１１００
℃の一定温度に維持してなるバーナーで加熱することで
接地電極（５）の先端温度を放射温度計により計測した
（図２）。

【００２１】また、酸化腐食試験は、各種電極材料を、
バーナーで１０００℃×２分間加熱し、冷却を１分間行
なうことを１サイクルとして、３０００サイクル行なっ
た後、接地電極の厚さの平均を採り、酸化腐食試験前の
各種電極材料に対する、酸化腐食試験前の各種電極材料
の厚さと試験後の各種電極材料の厚さの差の割合を％で
表示したものを酸化腐食度とした（図２）。

【００２２】更に、火花消耗試験は、机上における火花
消耗試験の場合、各種電極材料をスパークプラグの接地
電極（５）に組み込み、誘導火花エネルギー８０ｍｊ、
室温下で、エアーゲージ圧０．６ＭＰａの圧力チェンバ
ーに上記スパークプラグを装着し、１分間に６０回の火
花放電を３００時間（約６５００万回スパ−ク）行い消
耗量を測定し、一方実機火花消耗試験の場合、誘導火花
エネルギー３０ｍｊの点火電源に対して、２０００ｃｃ
×６気筒のエンジンに上記スパークプラグを装着し、５
５００ｒｐｍ×２００時間後の消耗量を測定し、試験前
の各種電極材料より構成される接地電極（５）の厚さに
対する消耗量の割合、すなわち火花消耗度として表示し
た（図２）。

【００２３】次に、図２に示す外層部（７）の材料ｄを
有する接地電極を用いて、外層部（７）の厚さＨを変え
ながら、バーナー加熱による受熱温度（放射温度計によ
る実測）、及び実機に装着しての耐久性の試験を行ない
（火花放電エネルギー１００ｍｊ、３０ｍｊ）、その結
果を図３、及び図４に示す。

【００２４】以上の試験結果（図２、図３、及び図４）
より、この発明において、接地電極（５）の受熱温度の
効率よい熱伝導による接地電極（５）自体の温度上昇の
抑制、更にこの接地電極（５）の温度上昇の抑制に伴う
耐酸化性、あるいは火花消耗性の向上という効果が著し
く認められるものである。

【００２５】更に、この発明の第２実施例としては、接
地電極（５）の断面形状を略台形状のものとしてもよく
（図５）、この接地電極は上述の図１の実施例の他に、
図６に示す用に、中心電極（３）の先端側面（３ａ）に
対向するように複数の接地電極（５）を配設した多極プ
ラグ（１１）にも使用することができる。

【００２６】そして、外層部（７）の材料を図２に示す
材料ｍ、すなわちインコネル６００を使用する接地電極
（５）に白金チップ（８）を接合してなるもの（図７）
でもよく、この白金チップ（８）を接合してなる接地電
極（５）を有するスパークプラグについて、実機（２０
００ｃｃ×６気筒）に装着して、全開（１分間）−アイ
ドリング（１分間）を１サイクルとして、３０００回数
の冷熱サイクルにおける接地電極（５）を構成する外層
部（７）の厚さに対する白金チップ（８）の剥離度合を
断面調査したところ、外層部（７）の厚さＨが、０．２
５ｍｍ≦Ｈ≦０．３５ｍｍの範囲において、インコネル
６００の無垢材よりなる接地電極（５）に白金チップ
（８）を接合したものよりも白金剥離度合が小さくなる
ことが認められた（図８）。

【００２７】

【発明の効果】以上のとおり、接地電極を芯部を良熱伝
導性の純ニッケル、或はニッケル合金、外層部を高温耐
酸化性に優れるニッケル合金とする複合構造とし、更に
この接地電極を構成する外層部の厚さＨを、０．２５ｍ
ｍ≦Ｈ≦０．３５ｍｍとすることにより、内燃機関の燃
焼室内に突出する接地電極が、混合気の燃焼に伴って発
生する高温の燃焼ガスに曝されて高温となっても、耐酸
化性、或は火花消耗性を損ねることなく、効率よく接地
電極を接合する主体金具に熱伝導を行えるようにするこ
とが可能となり、プレイグニションの発生等を抑制し、
内燃機関の保護を行なうことができる優れた効果を有す
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例であるスパークプラグ先端の
拡大断面図である。

【図２】この発明の各種電極材料よりなる実施例に対す
る熱伝導率、酸化腐食、及び火花消耗試験の結果であ
る。

【図３】外層部の各種厚さに対する耐久性試験の結果で
ある。

【図４】図３の結果をグラフ化したものである。

【図５】この発明の第２実施例である接地電極の拡大断
面図である。

【図６】この発明の他の実施例である多極スパ−クプラ
グの先端の部分断面図である。

【図７】この発明の第３実施例である接地電極の要部拡
大断面図である。

【図８】接地電極に白金チップを接合したものに対する
白金チップ剥離度合の試験結果である。

【符号の説明】

１、１１ スパークプラグの先端 ２ 絶縁体 ３ 中心電極 ４ 主体金具 ５ 接地電極 ６ 芯部 ７ 外層部 ８ 白金チップ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 芯部の金属と、この芯部を被覆してなる
   外層部からなる複合構造であり、上記芯部の金属を良熱
   伝導性ニッケル、或はニッケル合金からなるものとし、
   又、上記外層部の金属を、芯部を構成する金属よりも高
   温耐酸化性に優れるニッケル合金とし、更にこの外層部
   の厚さＨを、０．２５ｍｍ≦Ｈ≦０．３５ｍｍとしてな
   る接地電極を有する内燃機関用スパークプラグ。
2. 【請求項２】 前記接地電極は中心電極の先端と対向す
   る位置に白金合金、イリジウム合金の貴金属チップを接
   合してなる請求項１記載の内燃機関用スパ−クプラグ。