JPH05159853A

JPH05159853A - スパークプラグ

Info

Publication number: JPH05159853A
Application number: JP32060991A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Oshima; 崇文大島
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1991-12-04
Filing date: 1991-12-04
Publication date: 1993-06-25

Abstract

(57)【要約】【目的】芯断面積の中心電極断面積に占める割合を最
適に設定し、プレイグンッションの防止と、着火性およ
び耐久性とを同時に満足する中心電極を有するスパーク
プラグの提供。【構成】円柱状を呈する耐蝕性ニッケル合金製母材４
１に良熱伝導性金属芯４２を配した複合材４０の先端部
４Ａを直径１．０ｍｍ〜１．８ｍｍに成形し、前記複合
材４０の先端面４Ａに直径０．３ｍｍ〜１．２ｍｍの円
柱状貴金属チップ５を０．３ｍｍ以上突出して溶接する
とともに、チップ５と芯４２とを接触させるか、または
０．５ｍｍ以内に近接して配し、かつ軸孔３１内の先端
部に挿入されたニッケル合金製母材の最小部分の断面積
の中心電極断面積に対する割合が５０％以上７０％以下
である中心電極４を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、中心電極の耐消耗性
と着火性とを向上させたスパークプラグに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車エンジンなどのガソリン機関で
は、着火性向上のため中心電極の先端部を径小に形成す
るとともに、耐火花消耗性向上のため電極先端に白金
（Ｐｔ）合金など貴金属チップを溶接したスパークプラ
グが使用される。この中心電極は、通常、ニッケル（Ｎ
ｉ）合金製母材に熱伝導性に優れた銅（Ｃｕ）、銀（Ａ
ｇ）などの良熱伝導性金属芯を入れた複合材の先端に貴
金属チップを溶接してなり、貴金属チップと芯との間に
は比較的熱伝導性の悪い母材層が１ｍｍ前後の厚さで介
在していた。また電極による消炎作用を低減させ、着火
性を向上させるためには、中心電極の発火部を小径化し
熱容量を小さくすることが望ましい。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、貴金属チッ
プは火花消耗による放電ギャップの拡大を遅くし、耐久
性を増大させるため直径が１．２ｍｍ以上となってい
る。このため、着火性の向上が不十分であるとともに、
燃焼室に露出した貴金属チップが表面から受ける熱を、
芯を介して中心電極の後端側に逃がす、いわゆる熱引き
が十分でなく、高速、高負荷運転ではチップ先端または
絶縁碍子の先端が過昇温し、プレイグニッションが発生
し易かった。上記中心電極の熱引きを良くするために
は、前記良熱伝導性金属芯をできるだけ複合材の先端近
くまで延長するとともに、芯断面積の中心電極断面積に
占める割合を大きくとることが望ましい。しかるに、母
材と芯とは熱膨張差を有するため、使用による冷熱の繰
り返しは母材に熱応力を加え、中心電極の機械的強度が
経時的に劣化する。特に８００℃以上の高温時には、母
材の強度が低下するため耐久性が低下する。この発明の
目的は、芯断面積の中心電極断面積に占める割合を最適
に設定し、プレイグニッションの防止と、着火性および
耐久性とを同時に満足する中心電極を有するスパークプ
ラグを提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この発明のスパークプラ
グは、先端面に接地電極を溶接した円筒状の主体金具の
内部に、軸孔付き絶縁碍子を嵌着し、前記軸孔に中心電
極を嵌め込んでなるスパークプラグにおいて、中心電極
は、円柱状を呈する耐蝕性ニッケル合金製母材に良熱伝
導性金属芯を配した複合材の先端部を直径１．０ｍｍ〜
１．８ｍｍに形成し、前記複合材の先端面に直径０．３
ｍｍ〜１．２ｍｍの円柱状貴金属チップを０．３ｍｍ以
上突出して溶接するとともに、チップと芯とを接触させ
るか、または０．５ｍｍ以内に近接して配し、かつ前記
軸孔内の先端部に挿入されたニッケル合金製母材の最小
部分の断面積の中心電極断面積に対する割合を、５０％
以上７０％以下に設定した。請求項２に記載のスパーク
プラグにおいては、中心電極は塑性加工による成形後、
耐蝕性ニッケル合金の再結晶温度以上の条件で応力除去
の熱処理が施され、かつ耐蝕性ニッケル合金は８００℃
で１５Ｋｇｆ／ｍｍ²以上の引張強度を有する。請求項
３に記載のスパークプラグは、絶縁碍子の軸孔に嵌合し
た中心電極の基部側部分の外周と、絶縁碍子の軸孔の内
周との隙間ｔを、０．０２５ｍｍ〜０．０７５ｍｍに設
定した。

【０００５】

【発明の作用、効果】この発明では、中心電極の先端部
を直径１．０〜１．８ｍｍとし、その先端面に直径０．
３〜１．２ｍｍの貴金属チップを溶接して、発火部の表
面積および熱容量を小さくしているため、消炎作用が少
なく着火性に優れる。また、チップと芯とが近接してい
ると同時に、芯の断面積が中心電極の断面積の３０％以
上と大きいため、熱引きが良好で、中心電極先端部およ
び絶縁碍子先端部が低温に保たれる。これにより、プレ
イグニッションが防止できる。さらに、高温時に必要最
小限の引張強度を有する母材断面積を確保しているた
め、冷熱の繰り返しによる経時的な強度の低下が少な
く、耐久性に優れる。請求項２に記載の構成では、耐蝕
性Ｎｉ合金の再結晶温度以上の条件で熱応力除去の熱処
理を施し、スパークプラグ使用時における最高温度付近
で中心電極に熱応力が発生することを防止するととも
に、使用最高温度における中心電極母材の強度を確保
し、耐久性を保証している。請求項３に記載の構成で
は、絶縁碍子先端部と中心電極先端部との隙間を適性に
設定し、太い芯の熱膨張による絶縁碍子の破損を防止し
ながら、絶縁碍子先端部の輻射による放熱が中心電極先
端部を通じて後方に伝達されやすくし、絶縁碍子先端部
の過昇温によるプレイグニッションを防止している。

【０００６】

【実施例】図１は、この発明にかかるスパークプラグ１
００を示す。このスパークプラグ１００は、先端面に接
地電極１を溶接した円筒状の主体金具２の内部に、軸孔
３１付き絶縁碍子３を嵌着し、軸孔３１に中心電極４を
嵌め込んでなる。接地電極１は、１５．０重量％のクロ
ム（Ｃｒ）、８．０重量％の鉄（Ｆｅ）を含むＮｉ合金
製で断面矩形状の棒状を呈する耐蝕性Ｎｉ合金製母材１
１に、良熱伝導性金属芯１２を配した複合材１０を略Ｌ
字形に曲げ、主体金具２の先端面に溶接して設けられて
いる。

【０００７】絶縁碍子３は、後端側頭部３２、径大の中
間胴部３３、および径小で外径が浅いテーパーを有する
先端側脚長部３４からなる円柱状を呈し、内部には段３
５を介して先端側が径小となっている断面円形の前記軸
孔３１が設けられている。中心電極４は、１５．０重量
％のＣｒ、８．０重量％のＦｅを含むＮｉ合金製で直径
２．５ｍｍの円柱状母材４１、および該母材４１の軸心
部に同心的に埋め込まれたＣｕまたはＡｇを主体とする
直径１．８ｍｍの良熱伝導性金属の芯４２を備えた複合
材４０を備える。該複合材４０の先端面には、その中心
に設けた穴４３に基部５１が埋め込まれて円柱状貴金属
チップ５が溶接されている。複合材４０は、前記絶縁碍
子３の先端から突出した部分が、径小先端部４Ａおよび
テーパー部４Ｂとなっており、前記軸孔３１との嵌合し
た基部側部分４Ｃは、中心電極外周と軸孔内周３Ａとの
隙間ｔを、０．０２５ｍｍ〜０．０７５ｍｍに設定して
ある。また、前記軸孔３１の先端には前記隙間ｔより大
きい隙間の先端部４Ｄが長さ約１〜３ｍｍに亘って設け
られ、絶縁碍子先端の自己清浄作用を高めている。

【０００８】複合材４０は、先端部４Ａが直径１．０ｍ
ｍ〜１．８ｍｍの径小に成形され、チップ５は、直径
０．３ｍｍ〜１．２ｍｍのチップ５を０．３ｍｍ以上突
出している。またチップ５は、母材４１との嵌合面３が
全周にわたってレーザー溶接されるとともに、チップ５
と芯４２とは接触するか、または両者の間隔Ｌは０．５
ｍｍ以内となるように近接して配されている。

【０００９】チップ５は、イリジウム（Ｉｒ）の粉末８
５．０体積％と、稀土類類元素酸化物であるイットリア
（Ｙ₂０₃）の粉末１５．０体積％とを焼結した焼結
体（サーメット）からなる。イットリアの添加量は５．
０〜１５．０体積％であることが必要であり、１０．０
体積％前後が最も望ましい。またイットリアの他にトリ
ア（ＴｈＯ₂）、酸化ランタン（Ｌａ₂Ｏ₃）など他の
稀土類元素酸化物でもよく、周期律表の２Ａ族（Ｍｇ、
Ｃａなど）４Ａ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆなど）に属する元
素の酸化物を用いることも可能である。またＩｒに代わ
って、Ｐｔ−ＺｒＯ₂、Ｐｔ−ＴｈＯ₂など白金合金を
用いてもよい。

【００１０】チップ５は、複合材４０の先端面の中心
に、芯４２の先端面に達する穴４３を設け、該穴４３に
円柱状のチップ５を軸心を一致させて嵌め込み、嵌合面
５３をレーザービーム溶接または電子ビーム溶接してな
される。この際チップ５と母材４１とは全周に渡り共融
して強固に溶接される。この実施例においては、溶接前
のチップ５の寸法および穴４３の寸法は、チップ５が直
径Ｄ＝０．５ｍｍ、長さＨ＝１．０ｍｍの円柱であり、
穴４３が直径ｄ＝０．５５ｍｍ、深さｈ＝０．５ｍｍと
なっている。なおチップ５は、使用時（高温時）におい
て母材４１と芯４２との熱膨張差による熱応力を受け
る。このため溶接は前述のごとく嵌合面５３の全周に沿
って、かつ深くなされることが望ましい。

【００１１】この発明においては、チップ５の基部端面
５２と、芯４２の先端４４とが接触しているか、両者の
距離Ｌが０．５ｍｍ以内であることが必要である。この
距離Ｌは、従来の貴金属チップを抵抗溶接した中心電極
においては、抵抗溶接時の座屈を防止するため２ｍｍ前
後に設定されている。しかるに、母材４１であるＮｉ合
金は熱伝導性が比較的小さく、芯４２による熱引きの妨
げとなっている。この実施例の如く、接触または近接し
ていると、１．５ｍｍの時と比較してチップ５の温度を
エンジンの高負荷、高速運転時において数十℃から百℃
程度低く保つことができる。

【００１２】複合材４０の断面積に対する母材４１の断
面積の割合は、５０％以上７０％以下に設定されてい
る。この数値限定は、図３および図４に示すグラフから
判る様に、７０％以上であると熱伝導面積が少なく熱引
きが不十分となり、プレイグニッションが発生し易くな
ることによる。また、５０％以下であると高温時（最高
８００℃程度）に熱膨張の大きい芯４２により母材４１
が受ける引張の熱応力が大きくなりすぎ、母材４１が変
形するなどの問題が生じる。さらに母材４１は、低温時
（大気温度）には逆の熱応力を受ける。この冷熱の繰り
返しにより、母材４１が劣化し経時的に機械的強度が低
下する。

【００１３】複合材４０は、カップ状に鍛造した母材４
１に芯４２を嵌め込み、これを複数回押出成形すること
により径小化し、さらに先端部分を機械加工して製造さ
れる。この塑性加工したままの複合材４０は、塑性歪
（残留歪）により、冷熱の繰り返しによる変形が促進さ
れるので、応力除去を耐蝕性Ｎｉ合金の再結晶温度以上
（または使用温度の最高温度である８００℃以上）の条
件で行うことが望ましい。これとともに、母材４１の材
質は、大きな引張応力が加わる高温（８００℃）おいて
母材４１に加わる応力に充分耐えうる機械的強度を備え
る必要がある。図５に示す如く、耐蝕性Ｎｉ合金は８０
０℃での引張強度を１５Ｋｇｆ／ｍｍ²以上とすれば、
充分な冷熱の繰り返しに耐えうる引張強度を備える。こ
のＮｉ合金の例として、上記１５．０重量％のＣｒ、
８．０重量％のＦｅ、およびＮｉ残余からなるＮｉ合金
（１８Ｋｇｆ／ｍｍ²）の他に、２２．０重量％のＣ
ｒ、９重量％のＦｅ、１．５重量％のアルミニウム（Ａ
ｌ）およびＮｉ残余からなるＮｉ合金（１９Ｋｇｆ／ｍ
ｍ²）等がある。

【００１４】この発明のスパークプラグ１００では、図
６に示すごとく中心電極４の絶縁碍子３に嵌合している
部分の基部側部分４Ｃの外周と絶縁碍子３の軸孔３１の
内周３Ａとの隙間ｔを、０．０２５ｍｍ〜０．０７５ｍ
ｍ、望ましくは０．０４ｍｍ〜ら０．０６ｍｍに設定し
ている。これは、絶縁碍子３の先端部は、エンジンの燃
焼ガスによる受熱を受けたとき、熱伝導性が低いため中
心電極４の先端部以上に高温になり、先端部側の過昇温
によるプレイグニッションが発生し易い。この先端部側
の熱は、主に輻射による放熱で中心電極４の基部側部分
４Ｃに伝導し、芯４２を通じて後方に伝達される。この
輻射による熱移動を効率良く行うためには隙間ｔは狭い
方が良い。しかるにこの発明の如く芯４２の断面積を最
大限に大きくすると、冷熱繰り返しによる熱歪の蓄積で
中心電極４の外径が大きく拡大する。このため隙間ｔを
広く取らないと、冷熱サイクリックの繰り返しにより中
心電極４が絶縁碍子３を半径方向に拡大するよう押圧
し、先端部が破損し易い。よって隙間ｔの長さの限界
は、これらの相反する条件により最適範囲が決定され
る。

【００１５】図３、図４、図５、および図６は、耐久試
験の結果を示す。図３は、２０００ｃｃ、６気筒エンジ
ンにこの発明のスパークプラグ１００を装着し、アイド
リング１分−５５００ｒｐｍ×スロットル全開１分の冷
熱サイクリックテストを６０００サイクル実施したとき
の、中心電極４の膨張代（径方向）と母材断面積の中心
電極断面積に対する割合の関係を示す。断面積比が５０
％以下だと、膨張代が大きく、絶縁碍子３が割れてしま
う。また、図４は、上記と同様のエンジンで、耐プレイ
グニッション性を評価した。断面積比が、７０％を越え
ると耐プレイグニション性が急激に低下する。

【００１６】図５は、上記の耐久テストと同様に、２０
００ｃｃ、６気筒エンジンに以下の材料Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ
を装着し、アイドリング１分−５５００ｒｐｍ１分の冷
熱サイクリックテストを２００時間実施した。２．０重
量％のＣｒ、２．０重量％の珪素（Ｓｉ）、２．０重量
％のマンガン（Ｍｎ）、残余Ｎｉからなり引張強度が１
０Ｋｇｆ／ｍｍ²の材料Ａ、８．０重量％のＣｒ、残余
Ｎｉからなり引張強度が１３Ｋｇｆ／ｍｍ²の材料Ｂ、
１５．０重量％のＣｒ、８．０重量％のＦｅ、残余Ｎｉ
からなり引張強度が１８Ｋｇｆ／ｍｍ²の材料Ｃ、およ
び２２．０重量％のＣｒ、９．０重量％のＦｅ、１．５
重量％のＡｌ、残余Ｎｉからなり引張強度が１９Ｋｇｆ
／ｍｍ²の材料Ｄを比較すると、引張強度の１５Ｋｇｆ
／ｍｍ²以上の材料Ｃ、Ｄの膨張代は極めて低いことが
わかる。

【００１７】図６は、上記の図４と同一エンジンを用い
て、隙間ｔと耐プレイグニッション性との関係のグラフ
である。隙間ｔが小さい程耐プレイグニション性を向上
することができるが、０．０２５ｍｍ以下であるとき、
中心電極４の膨張に絶縁碍子３が耐えることができず破
損してしまい、０．０７５ｍｍ以上であるとき、絶縁碍
子の輻射熱が中心電極４に伝わらず、絶縁碍子３が高温
のままになり、プレイグニッションが起きやすくなって
しまう。

【００１８】図７は、上記と同一条件の耐久テストにお
いて、チップ５と芯４２との距離Ｌと、火花放電間隙の
増加量の関係を示す。距離Ｌが０（接触）から０．５ｍ
ｍの範囲において、チップ５の消耗による火花放電間隙
の増加量が小さいことが実証される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例にかかるスパークプラグ
の斜視図である。

【図２】図１に示すスパークプラグの要部断面図であ
る。

【図３】この発明の耐久実験結果を示すグラフである。

【図４】この発明の耐久実験結果を示すグラフである。

【図５】この発明の耐久実験結果を示すグラフである。

【図６】この発明の耐久実験結果を示すグラフである。

【図７】この発明の耐久実験結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１接地電極２主体金具３絶縁碍子４中心電極５貴金属チップ３１軸孔４Ａ中心電極先端部４０複合体４１中心電極母材４２良熱伝導性金属芯

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】先端面に接地電極を溶接した円筒状の主
体金具の内部に、軸孔付き絶縁碍子を嵌着し、前記軸孔
に中心電極を嵌め込んでなるスパークプラグにおいて、中心電極は、円柱状を呈する耐蝕性ニッケル合金製母材
に良熱伝導性金属芯を配した複合材の先端部を直径１．
０ｍｍ〜１．８ｍｍに形成し、前記複合材の先端面に直
径０．３ｍｍ〜１．２ｍｍの円柱状貴金属チップを０．
３ｍｍ以上突出して溶接するとともに、チップと芯とを
接触させるか、または０．５ｍｍ以内に近接して配し、
かつ前記軸孔内の先端部に挿入されたニッケル合金製母
材の最小部分の断面積の中心電極断面積に対する割合
を、５０％以上７０％以下に設定したスパークプラグ。
【請求項２】請求項１において、中心電極は塑性加工
による成形後、耐蝕性ニッケル合金の再結晶温度以上の
条件で応力除去の熱処理が施され、かつ耐蝕性ニッケル
合金は８００℃での引張強度が１５Ｋｇｆ／ｍｍ²以上
であるスパークプラグ。
【請求項３】請求項１または２において、絶縁碍子の
軸孔に嵌合した中心電極の基部側部分の外周と、絶縁碍
子の軸孔の内周との隙間ｔを、０．０２５ｍｍ〜０．０
７５ｍｍに設定したスパークプラグ。