WO2009084575A1 - 内燃機関用スパークプラグ - Google Patents
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- H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
- H01T13/32—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation characterised by features of the earthed electrode
Definitions
- the present invention relates to a spark plug used for an internal combustion engine.
- a spark plug for an internal combustion engine such as an automobile engine includes, for example, a central electrode extending in the axial direction, an insulator provided outside the center electrode, a cylindrical metal shell provided outside the insulator, and a base end portion Comprises a ground electrode joined to the tip of the metal shell. Further, the ground electrode is disposed so that the front end portion of the inner peripheral surface thereof is bent back so as to face the front end portion of the center electrode, whereby a spark discharge gap is formed between the front end portion of the center electrode and the front end portion of the ground electrode. Is formed.
- the ground electrode is composed of two layers, an outer layer made of a Ni alloy and an inner layer made of a copper alloy that is a better heat conductive metal than the Ni alloy.
- the structure technology is known. JP-A-5-242952
- the present invention has been made in view of the above circumstances, and the object thereof is to optimize the positional relationship between the inner layer of the ground electrode and the noble metal tip, thereby improving the heat drawing performance of the noble metal tip, and consequently the noble metal tip.
- An object of the present invention is to provide a spark plug for an internal combustion engine that can improve the peel resistance and durability.
- the spark plug for an internal combustion engine of this configuration includes a rod-shaped center electrode extending in the axial direction, A substantially cylindrical insulator having an axial hole extending in the axial direction and the central electrode provided in the axial hole; A substantially cylindrical metal shell provided on the outer periphery of the insulator; A grounding electrode extending from the tip of the metal shell, and the tip being bent toward the center electrode; A noble metal tip bonded to the tip of the ground electrode, A spark plug for an internal combustion engine in which a gap is formed between the tip of the center electrode and the noble metal tip, The noble metal tip is bonded in a state where its central axis is shifted toward the axial base end side with respect to the central axis of the ground electrode,
- the ground electrode includes an outer layer made of a nickel alloy and an inner layer made of a heat conductive material better than the outer layer, The tip of the inner layer is located closer to the axis than the base end of the ground electrode, Of the cross section orthogonal to the central axis of the ground electrode
- the noble metal part which consists of noble metal alloys in the front-end
- the gap is formed between the noble metal portion provided on the center electrode and the noble metal tip provided on the ground electrode.
- the ground electrode has a two-layer structure formed by an outer layer and an inner layer that includes a material having better thermal conductivity than the outer layer, and the inner layer is a base end of the ground electrode.
- the inner layer In the cross section passing through the central axis and the axis of the ground electrode, the inner layer extends beyond the straight line extending from the inner peripheral surface of the metal shell to the tip side along the axis. ). That is, since the inner layer having excellent thermal conductivity is provided at a position relatively close to the noble metal tip, the heat of the noble metal tip can be easily drawn through the inner layer, and thus the heat drawing performance of the noble metal tip. Can be improved.
- the noble metal tip when the amount of heat received is further increased on the center side of the combustion chamber, the noble metal tip is grounded in a state where the center axis of the noble metal tip is shifted from the center axis of the ground electrode toward the axial base end side (the metal shell side). Bonded to the electrode. That is, the noble metal tip is provided at a position further away from the center of the combustion chamber. For this reason, the amount of heat received by the noble metal tip due to combustion can be relatively reduced, and a decrease in peel resistance and durability can be more reliably prevented.
- the surface viewed from the front end surface side of the ground electrode is the center axis of the ground electrode with respect to the cross section having the maximum cross-sectional area of the inner layer among the cross sections orthogonal to the center axis of the ground electrode.
- the noble metal tip is provided such that the area of the overlapping region between the inner layer and the noble metal tip on the projection surface is 25% or more of the area of the inner layer on the projection surface. That is, the overlapping region between the inner layer and the noble metal tip along the central axis of the ground electrode is relatively large. Thereby, the heat of the noble metal tip can be efficiently drawn toward the metal shell through the inner layer having excellent thermal conductivity, and the heat drawing performance of the noble metal tip can be further improved. As a result, the peel resistance and durability can be further improved.
- the spark plug for an internal combustion engine of this configuration is characterized in that, in the above configuration 1, the ratio (overlap ratio) of the overlapping region of the inner layer and the noble metal tip on the projection plane is 28% or more.
- the peel resistance and durability of the noble metal tip can be further improved. From the viewpoint of further improving the peel resistance and durability, it is preferable to further increase the overlapping ratio of the noble metal tip to the inner layer along the central axis of the ground electrode. Therefore, it is more preferable that the overlapping ratio is 30% or more.
- the spark plug for an internal combustion engine according to this configuration is the above-described configuration 1 or 2, wherein the noble metal tip is in a state in which a central axis thereof is deviated by 0.1 mm or more toward the axial base end side with respect to the central axis of the ground electrode. It is characterized by being joined.
- the noble metal tip is arranged at a position further away from the center of the combustion chamber. For this reason, the amount of heat received by the noble metal tip can be further reduced, and the durability can be further improved.
- the spark plug for an internal combustion engine of this configuration is characterized in that, in any of the above configurations 1 to 3, the shortest distance between the inner layer and the noble metal tip is 0.5 mm or more and 2 mm or less.
- the heat of the noble metal tip can be drawn more efficiently by the inner layer having excellent thermal conductivity.
- the distance between the inner layer and the noble metal tip is less than 0.5 mm, the heat of the noble metal tip will be excessively drawn, and a temperature difference will occur between the noble metal tip and the ground electrode, and the joint between the two There is a possibility that the stress acting on the surface increases.
- the temperature difference between the noble metal tip and the ground electrode can be made relatively small. The stress acting on the joint between the two can be made relatively small.
- the distance between the inner layer and the noble metal tip is 0.5 mm or more and 2 mm or less, the heat of the noble metal tip can be drawn sufficiently, but not excessively, and the peel resistance can be further improved. Improvements can be made.
- the spark plug for an internal combustion engine according to this configuration is the spark plug for an internal combustion engine according to any one of the above configurations 1 to 4, wherein the noble metal tip is formed such that the tip surface of the noble metal tip protrudes from the tip surface of the ground electrode. It is characterized by being joined to the inner peripheral surface located on the electrode side.
- the noble metal tip can be disposed at a position further away from the center of the combustion chamber, it is possible to further improve the peel resistance and durability.
- the spark plug for an internal combustion engine according to the present configuration has a structure in which the length of the joint portion of the noble metal tip with respect to the ground electrode along the central axis of the ground electrode is 0.5 mm or more and 1.5 mm or less in the configuration 5 described above.
- the length of the joint portion of the noble metal tip to the ground electrode along the central axis of the ground electrode is set to 0.5 mm or more and 1.5 mm or less. Accordingly, it is possible to reduce the possibility of occurrence of welding unevenness as much as possible, and to secure sufficient bonding strength. As a result, the peel resistance can be further improved.
- the spark plug for an internal combustion engine of this configuration is characterized in that, in the above configuration 5 or 6, the amount of burial of the noble metal tip from the inner peripheral surface of the ground electrode is 0.1 mm or more.
- the bonding strength between the two can be improved, and further improvement of the peel resistance can be achieved.
- Configuration 8 The spark plug for an internal combustion engine of this configuration is characterized in that, in any one of the above configurations 1 to 7, the portion of the ground electrode to which the noble metal tip is joined is flat.
- the noble metal tip can be joined to the ground electrode relatively easily and stably. it can. As a result, the joint strength between the two can be further improved, and the peel resistance of the noble metal tip can be further improved.
- the present configuration 8 is more significant when a ground electrode having a circular cross section or the like is used in order to improve the ignitability by facilitating the flow of the air-fuel mixture into the spark discharge gap.
- the spark plug for an internal combustion engine according to this configuration is characterized in that, in the above configuration 8, the portion to which the noble metal tip is joined is flattened by cutting or pressing the inner peripheral surface of the ground electrode.
- the portion of the ground electrode to which the noble metal tip is bonded can be made relatively flat.
- the inner peripheral surface of the ground electrode becomes a concave shape toward the outer peripheral side, and the inner layer along the central axis of the ground electrode is joined by bonding a noble metal tip to the concave portion. It is possible to relatively easily increase the overlapping ratio of the noble metal tip with respect to. That is, the configuration 1 can be realized relatively easily, and the peel resistance and durability can be improved relatively easily and more reliably.
- Configuration 10 The spark plug for an internal combustion engine of this configuration is arranged such that the tip surface of the noble metal tip is opposed to the tip portion of the center electrode in any one of the above configurations 1 to 9. Spark discharge is performed substantially along a direction orthogonal to the axial direction.
- each of the above-described configurations is embodied in a so-called spark plug of a type that performs a spark discharge in the lateral direction as in the above-described configuration 10.
- the amount of protrusion of the ground electrode to the combustion chamber center side can be made relatively small, the amount of heat received by the ground electrode and the noble metal tip can be further reduced, and the peeling resistance and durability can be further improved. Further improvement can be achieved.
- Configuration 11 The spark plug for an internal combustion engine of this configuration is arranged such that, in any one of the above configurations 1 to 9, the end surface of the noble metal tip in the axial direction is opposed to the tip of the center electrode. Spark discharge is performed substantially along the axial direction.
- each configuration described above may be embodied in a so-called spark plug that discharges in the vertical direction.
- the spark discharge gap is located closer to the center of the combustion chamber, and excellent ignitability can be realized.
- the tip surface of the noble metal tip is disposed to face the axis line located on the tip side of the center electrode, Spark discharge is performed obliquely with respect to the axial direction.
- each configuration described above may be embodied in a so-called obliquely discharging spark plug.
- the protruding amount of the ground electrode can be made relatively small, the amount of heat received by the ground electrode and the like can be reduced, and the peel resistance and the like can be further improved.
- the type that discharges in the vertical direction there is a concern that the propagation of the flame toward the center side of the combustion chamber may be hindered by the ground electrode, but according to the present configuration 12, the concern is wiped out. And flame propagation can be improved. That is, by adopting a type that discharges in an oblique direction, it is possible to improve the peeling resistance and the flame propagation property in a balanced manner.
- Configuration 13 The spark plug for an internal combustion engine according to this configuration is characterized in that, in any one of the above configurations 1 to 12, the maximum cross-sectional area of the ground electrode in a cross section orthogonal to the central axis of the ground electrode is 3.3 mm 2 or less.
- the area of the front end surface of the metal shell to which the ground electrode is joined is generally made smaller.
- a thinner (smaller cross-sectional area) ground electrode can be employed.
- the cross-sectional area of the ground electrode tends to be relatively small.
- the heat extraction performance of the noble metal tip made through the ground electrode tends to be insufficient. That is, in a ground electrode having a comparatively small cross-sectional area, there is a further concern that the noble metal tip is deteriorated in peel resistance and durability.
- the ground electrode in the configuration 13 has a relatively small maximum cross-sectional area of 3.3 mm 2 or less, and there is a concern that the peel resistance and durability may be lowered.
- the cross-sectional area of the ground electrode is relatively small, it can be said that it is more significant to adopt the above configuration 1 or the like.
- the ratio of the overlapping region of the inner layer and the noble metal tip on the projection plane to the inner layer on the projection plane Is more effective than 25%. More specifically, considering the rate of improvement in heat sink performance when the overlap ratio is relatively large (25% or more) based on the heat sink performance when the overlap ratio is relatively small (less than 25%), The smaller the cross-sectional area is, the more the heat pulling performance can be improved. That is, it can be said that the overlap ratio of 25% or more is particularly significant when the cross-sectional area of the ground electrode is relatively small.
- the spark plug for an internal combustion engine of the present configuration has the length of the inner layer on the projection plane along the width direction of the inner layer as A in any one of the configurations 1 to 13, When the length of the overlapping region of the inner layer and the noble metal tip on the projection plane along the width direction of the inner layer is a, 0.35 ⁇ a / A ⁇ 0.60 It is characterized by satisfying.
- the width direction of the inner layer means a direction orthogonal to a plane including the axis and the central axis of the ground electrode.
- the overlapping region between the inner layer and the noble metal tip along the central axis of the ground electrode can be made larger. For this reason, the heat drawing performance of the noble metal tip can be further improved.
- the spark plug for an internal combustion engine of this configuration is any one of the above configurations 1 to 14, wherein the length of the inner layer on the projection plane along the width direction of the inner layer is A, When the length of the overlapping region of the inner layer and the noble metal tip on the projection plane along the direction orthogonal to the width direction of the inner layer is b, 0.07 ⁇ b / A ⁇ 0.40 It is characterized by satisfying.
- the overlapping region between the inner layer and the noble metal tip along the central axis of the ground electrode can be further increased.
- the heat drawing performance of the noble metal tip can be further improved.
- FIG. 1 is a partially broken front view showing a spark plug (hereinafter referred to as “spark plug”) 1 for an internal combustion engine.
- spark plug a spark plug 1 for an internal combustion engine.
- the direction of the axis CL ⁇ b> 1 of the spark plug 1 is the vertical direction in the drawing, the lower side is the front end side of the spark plug 1, and the upper side is the rear end side.
- the spark plug 1 includes an insulator 2 as a cylindrical insulator, a cylindrical metal shell 3 that holds the insulator 2, and the like.
- the insulator 2 is formed by firing alumina or the like, and in its outer portion, a rear end side body portion 10 formed on the rear end side, and a front end than the rear end side body portion 10.
- a large-diameter portion 11 that protrudes radially outward on the side, a middle body portion 12 that is smaller in diameter than the large-diameter portion 11, and a tip portion that is more distal than the middle body portion 12.
- a leg length part 13 formed with a smaller diameter than this is provided.
- the large-diameter portion 11, the middle trunk portion 12, and most of the leg long portions 13 are accommodated inside the metal shell 3.
- a tapered step portion 14 is formed at the connecting portion between the leg length portion 13 and the middle trunk portion 12, and the insulator 2 is locked to the metal shell 3 at the step portion 14.
- a shaft hole 4 is formed through the insulator 2 along the axis CL1, and a center electrode 5 is inserted and fixed at the tip side of the shaft hole 4.
- the center electrode 5 has a rod-like shape (cylindrical shape) as a whole, and its tip end surface is formed flat and protrudes from the tip of the insulator 2.
- the center electrode 5 includes an inner layer 5A made of copper or a copper alloy and an outer layer 5B made of a Ni alloy containing nickel (Ni) as a main component.
- a cylindrical noble metal portion 31 made of a noble metal alloy (for example, an iridium alloy) is provided at the tip of the center electrode 5. More specifically, the noble metal portion 31 is provided by forming a welded portion 41 (see FIG. 2A, etc.) by laser welding or the like on the outer periphery of the contact surface between the outer layer 5A and the noble metal portion 31. It has been.
- a terminal electrode 6 is inserted and fixed on the rear end side of the shaft hole 4 in a state of protruding from the rear end of the insulator 2.
- a cylindrical resistor 7 is disposed between the center electrode 5 and the terminal electrode 6 of the shaft hole 4. Both ends of the resistor 7 are electrically connected to the center electrode 5 and the terminal electrode 6 through conductive glass seal layers 8 and 9, respectively.
- the metal shell 3 is formed in a cylindrical shape from a metal such as low carbon steel, and a screw portion (male screw portion) 15 for attaching the spark plug 1 to the engine head is formed on the outer peripheral surface thereof. Yes.
- a seat portion 16 is formed on the outer peripheral surface on the rear end side of the screw portion 15, and a ring-shaped gasket 18 is fitted on the screw neck 17 on the rear end of the screw portion 15.
- a tool engaging portion 19 having a hexagonal cross section for engaging a tool such as a wrench when the metal shell 3 is attached to the engine head is provided.
- a caulking portion 20 for holding the insulator 2 is provided on the rear end side of the metal shell 3.
- a tapered step portion 21 for locking the insulator 2 is provided on the inner peripheral surface of the metal shell 3.
- the insulator 2 is inserted from the rear end side to the front end side of the metal shell 3, and the rear end of the metal shell 3 is engaged with the step portion 14 of the metal shell 3. It is fixed by caulking the opening on the side radially inward, that is, by forming the caulking portion 20.
- An annular plate packing 22 is interposed between the step portions 14 and 21 of both the insulator 2 and the metal shell 3. Thereby, the air tightness in the combustion chamber is maintained, and the fuel air entering the gap between the leg long portion 13 of the insulator 2 exposed to the combustion chamber and the inner peripheral surface of the metal shell 3 is prevented from leaking outside.
- annular ring members 23 and 24 are interposed between the metal shell 3 and the insulator 2 on the rear end side of the metal shell 3, and the ring member 23 , 24 is filled with powder of talc (talc) 25. That is, the metal shell 3 holds the insulator 2 via the plate packing 22, the ring members 23 and 24, and the talc 25.
- a ground electrode 27 made of Ni alloy or the like is joined to the distal end surface of the distal end portion 26 of the metal shell 3.
- the ground electrode 27 is configured such that the distal end surface 27f faces the side surface portion of the center electrode 5 (the noble metal portion 31) by bending the distal end side.
- the ground electrode 27 has a two-layer structure including an outer layer 27A and an inner layer 27B.
- the outer layer 27A is made of a Ni alloy [for example, Inconel 600 and Inconel 601 (both are registered trademarks)].
- the inner layer 27B is made of a copper alloy or pure copper, which is a better heat conductive metal than the Ni alloy.
- the ground electrode 27 has a circular cross section, and the maximum cross sectional area of the ground electrode 27 is 3.3 mm 2 or less in a cross section perpendicular to the central axis CL2 of the ground electrode 27. It is said that.
- a prismatic noble metal tip 32 made of a noble metal alloy (for example, platinum alloy) is joined to the tip of the inner peripheral surface 27i of the ground electrode 27. More specifically, the noble metal tip 32 is partly embedded in the ground electrode 27 and joined with the tip surface 32f protruding from the tip surface 27f of the ground electrode 27 in a direction perpendicular to the axis CL1. Yes. Further, a spark discharge gap 33 is formed as a gap between the side surface portion of the noble metal portion 31 and the tip end portion of the noble metal tip 32, and spark discharge is performed in a direction substantially perpendicular to the axis CL1.
- a noble metal alloy for example, platinum alloy
- the noble metal tip 32 is joined to the ground electrode 27 so that the tip end face 32f faces the side surface of the center electrode 5 (noble metal part 31). Yes. More specifically, the center axis CL3 of the noble metal tip 32 is shifted from the center axis CL2 of the ground electrode 27 by 0.1 mm or more to the rear end side (the metal shell 3 side) in the axis CL1 direction with respect to the ground electrode 27. It is joined. Further, in the cross section passing through the central axis CL2 and the axis CL1 of the ground electrode 27, the inner peripheral surface of the metal shell 3 extends more than the straight line SL extending along the axis CL1 (that is, the base of the ground electrode 27).
- the tip of the inner layer 27B is located on the axis CL1 side. That is, the inner layer 27B is provided in a state of extending to the tip end side of the ground electrode 27.
- the shortest distance C between the inner layer 27B and the noble metal tip 32 is 0.5 mm or more and 2 mm or less (for example, 1 mm).
- the length D (joint portion length) D along the central axis CL2 of the ground electrode 27 of the joint portion of the noble metal tip 32 to the ground electrode 27 is set to 0.5 mm or more and 1.5 mm or less.
- the amount of burial E from the inner peripheral surface 27i of the ground electrode 27 of the noble metal tip 32 is set to 0.1 mm or more.
- the inner layer 27B and the noble metal tip 32 on the projection plane PH overlap with the inner layer 27B on the projection plane PH.
- a ratio (overlap ratio) occupied by the area OA (parts with a dotted pattern in the drawing) is 25% or more.
- the metal shell 3 is processed in advance. That is, a cylindrical metal material (for example, an iron-based material such as S17C or S25C or a stainless steel material) is formed by forming a through-hole by cold forging to produce a rough shape. Thereafter, the outer shape is adjusted by cutting to obtain a metal shell intermediate.
- a cylindrical metal material for example, an iron-based material such as S17C or S25C or a stainless steel material
- a two-layer ground electrode 27 made of a Ni alloy and a copper alloy is resistance-welded to the front end surface of the metal shell intermediate.
- so-called “sag” is generated.
- the threaded portion 15 is formed by rolling at a predetermined portion of the metal shell intermediate body.
- the metal shell 3 to which the ground electrode 27 is welded is galvanized or nickel plated.
- the surface may be further subjected to chromate treatment.
- the insulator 2 is molded separately from the metal shell 3.
- a raw material powder mainly composed of alumina and containing a binder or the like a green granulated material for molding is prepared, and rubber press molding is used to obtain a cylindrical molded body.
- the obtained molded body is ground and shaped. Then, the shaped one is put into a firing furnace and fired, whereby the insulator 2 is obtained.
- the center electrode 5 is manufactured separately from the metal shell 3 and the insulator 2. That is, the Ni alloy is forged, and an inner layer 5A made of a copper alloy is provided at the center of the Ni alloy to improve heat dissipation.
- a noble metal portion 31 is provided on the tip portion of the center electrode 5 by laser welding. More specifically, after the front end surface of the outer layer 5B and the base end surface of the columnar noble metal portion 31 are overlapped, a laser beam is irradiated to the outer periphery of both contact surfaces to form the melted portion 41. As a result, the noble metal portion 31 is provided at the tip of the center electrode 5.
- the glass seal layers 8 and 9 are generally prepared by mixing borosilicate glass and metal powder, and the prepared material is injected into the shaft hole 4 of the insulator 2 with the resistor 7 interposed therebetween. After being heated, it is baked and hardened by pressing with the terminal electrode 6 from behind while heating in a firing furnace. At this time, the glaze layer may be fired simultaneously on the surface of the rear end side body portion 10 of the insulator 2 or the glaze layer may be formed in advance.
- the insulator 2 provided with the center electrode 5 and the terminal electrode 6 and the metal shell 3 provided with the ground electrode 27 are assembled as described above. More specifically, it is fixed by caulking the opening on the rear end side of the metal shell 3 formed relatively thin inward in the radial direction, that is, by forming the caulking portion 20.
- the noble metal tip 32 is resistance-welded to the tip of the ground electrode 27.
- the ratio of the overlapping region OH of the inner layer 27B and the noble metal tip 32 on the projection surface PH to the inner layer 27B on the projection surface is 25% or more.
- the ground electrode 27 is bent to adjust the spark discharge gap 33 between the center electrode 5 (the noble metal portion 31) and the noble metal tip 32 provided on the ground electrode 27.
- the ground electrode 27 has a two-layer structure formed by the outer layer 27A and the inner layer 27B including a better heat conductive material than the outer layer 27A. Further, in the cross section passing through the central axis CL2 and the axis line CL1 of the ground electrode 27, the inner layer 27B extends to a position reaching the straight line SL extending the inner peripheral surface of the metal shell 3 along the axis line CL1 to the front end side. (In this embodiment, the inner layer 27B extends to a position where the shortest distance between the inner layer 27B and the noble metal tip 32 is not less than 0.5 mm and not more than 2 mm).
- the inner layer 27B having excellent thermal conductivity is provided at a position relatively close to the noble metal tip 32, the heat of the noble metal tip 32 can be easily drawn through the inner layer, and consequently the noble metal tip 32.
- the heat-drawing performance can be improved.
- the noble metal tip 32 when the amount of heat received further increases on the center side of the combustion chamber, the noble metal tip 32 has its own center axis CL3 shifted from the center axis CL2 of the ground electrode 27 to the rear end side (the metal shell 3 side) in the axis CL1 direction. In this embodiment, it is bonded to the ground electrode 27 in a state of being shifted by 0.1 mm or more. That is, the noble metal tip 32 is provided at a position further away from the center of the combustion chamber. For this reason, the amount of heat received by the noble metal tip 32 due to combustion can be relatively reduced, and a reduction in peel resistance and durability can be more reliably prevented.
- the area of the overlapping region OH between the inner layer 27B and the noble metal tip 32 on the projection plane PH is set to 25% or more of the area of the inner layer 27B on the projection plane PH.
- the length of the joint portion of the noble metal tip 32 to the ground electrode 27 along the central axis CL2 of the ground electrode 27 is 0.5 mm or more and 1.5 mm or less, each part of the joint portion Therefore, it is possible to reduce the possibility of occurrence of welding unevenness as much as possible, and to secure sufficient bonding strength. As a result, the peel resistance can be further improved.
- the noble metal tip 32 is bonded to the ground electrode 27 with a sufficient amount of burying E (0.1 mm or more), the bonding strength between the two can be improved, and the peeling resistance can be further improved. Improvements can be made.
- the ground electrode 27 is formed in a circular cross section, the air-fuel mixture can be more easily flown into the spark discharge gap 33, and the ignitability can be improved. .
- the tip surface 32f of the noble metal tip 32 protrudes in a direction perpendicular to the axis CL1 with respect to the tip surface 27f of the ground electrode 27, the ignitability can be further improved.
- the relationship between the overlapping ratio of the noble metal tip to the inner layer on the projection plane and the temperature of the noble metal tip was analyzed by a finite element method (FEM) simulation.
- FEM finite element method
- the overlapping ratio was 28% or more, the temperature of the noble metal tip was further reduced, and the heat of the noble metal tip was drawn more efficiently. Therefore, it can be said that it is more preferable to set the overlapping ratio to 28% or more (for example, 30% or more) from the viewpoint of realizing more excellent heat drawing performance for the noble metal tip.
- spark plug samples were prepared in which the amount of deviation of the center axis of the noble metal tip from the center axis of the ground electrode (tip deviation amount) was changed, and a thermal endurance test was performed on each sample.
- the graph of FIG. 5 shows the relationship between the tip shift amount and the oxide scale ratio.
- a larger oxide scale ratio means that a larger thermal stress difference is generated at the joint between the ground electrode and the noble metal tip, which means that the peel resistance is insufficient.
- the displacement amount toward the distal end side in the axial direction is expressed as minus with the central axis of the ground electrode as a reference point, and the displacement amount toward the proximal end side in the axial direction is represented as plus.
- the sample with a chip displacement amount exceeding 0 mm can have a relatively low oxide scale ratio and has sufficient peeling resistance. This is presumably because the amount of heat received by the noble metal tip accompanying combustion could be relatively reduced because the noble metal tip was provided at a position further away from the center of the combustion chamber.
- the oxide scale ratio was less than 40%, and it was revealed that the samples had excellent peeling resistance. Therefore, it can be said that it is more desirable that the amount of chip deviation is 0.1 mm or more from the viewpoint of further improving the peel resistance.
- FIG. 7 is a graph showing the relationship between the shortest distance “SC” and the oxide scale ratio.
- the oxide scale ratio is 50%. It was found that the peeling resistance was insufficient. This is considered to be due to the following reason. That is, when the shortest distance “SC” is less than 0.5 mm, the heat of the noble metal tip is excessively drawn, and a relatively large thermal stress is generated at the joint between the ground electrode and the noble metal tip. This is thought to be caused by the fact that it occurred. In addition, when the shortest distance “SC” exceeds 2 mm, it is considered that heat is not easily transferred from the noble metal tip to the inner layer, and thus the heat pulling of the noble metal tip is insufficient.
- the shortest distance “SC” between the noble metal tip and the inner layer was 0.5 mm or more and 2 mm or less, the oxide scale ratio was less than 50%, and it was revealed that the film had excellent peeling resistance. This is presumably because the heat of the noble metal tip could be drawn sufficiently but not excessively.
- the shortest distance “SC” is more preferably 0.5 mm or more and 1.8 mm or less, and the shortest distance “SC” is 1 mm or more and 1.5 mm or less. It can be said that it is even more preferable.
- a spark plug sample in which the joint length “SD” of the noble metal tip with respect to the ground electrode and the burying amount “SE” were variously changed was prepared, and the sample was subjected to a desktop burner test [the temperature of the noble metal tip was 1000. The test was repeated for 2 minutes after heating with a burner for 2 minutes so that the temperature became 1 ° C., and this was repeated, and the number of cycles when the oxide scale ratio reached 50% (cycles reaching 50% oxide scale) ) Was measured. The result of the test is shown in FIG. In the figure, the test results when the burial amount “SE” is 0.05 mm are plotted with cross marks, and the test results when the burial amount “SE” is 0.1 mm are plotted with black squares. . Further, the test results when the buried amount “SE” was 0.2 mm were plotted with black circles, and the test results when the buried amount “SE” was 0.3 mm were plotted with black triangles.
- the sample having a junction length “SD” of less than 0.5 mm has an oxidation scale 50% reaching cycle of less than 1000 cycles, and the oxide scale easily enters, that is, the peel resistance is insufficient. It became clear. This is presumably because the joining portion was too small to ensure sufficient joining strength. Further, it was found that the sample having a junction length “SD” exceeding 1.5 mm also had an oxidation scale 50% reaching cycle of less than 1000 cycles, and the peel resistance was insufficient. This is considered to be due to the fact that the joint portion of the noble metal tip with respect to the ground electrode is too large, resulting in welding unevenness at each portion of the joint portion.
- the relationship between the maximum cross-sectional area of the ground electrode and the temperature of the noble metal tip was analyzed by a finite element method (FEM) simulation.
- FEM finite element method
- the conditions such as temperature in the simulation were set as follows. That is, when the spark plug is attached to the engine (that is, when heat is drawn from the ground electrode to the metal shell side) and the overlap ratio is 0%, the temperature of the noble metal tip is 1000 ° C.
- the ambient temperature was set so that The ratio of the maximum cross-sectional area of the ground electrode and how much the temperature of the noble metal tip is reduced when the overlap ratio is 50% on the basis of the temperature of the noble metal tip when the overlap ratio is 0%. It calculated about the relationship with (temperature reduction rate).
- FIG. 9 shows the relationship between the maximum cross-sectional area of the ground electrode and the temperature reduction rate.
- the temperature reduction rate was relatively large for the sample having the maximum cross-sectional area of the ground electrode of 3.3 mm 2 or less. That is, in the case of a ground electrode having a relatively small cross-sectional area, there is a concern that the peel resistance and durability may be lowered.
- the cross-sectional area of the ground electrode is 3.3 mm 2 or less, the overlapping ratio is 25% or more. It has been found that the effects of the above are more effective. Therefore, it can be said that setting the overlap ratio to 25% or more is more effective when the cross-sectional area of the ground electrode is relatively small, 3.3 mm 2 or less.
- the ground electrode 27 is described as having a simple two-layer structure, but it may have a three-layer structure or a multilayer structure of four or more layers.
- the inner layer of the outer layer 27A contains a better heat conductive metal than the outer layer 27A.
- an intermediate layer made of copper alloy or pure copper may be provided inside the outer layer 27A, and an innermost layer made of pure nickel may be provided inside the intermediate layer.
- the ground electrode has a three-layer structure or more, a plurality of layers that are located inside the outer layer 27A and contain a metal having a good thermal conductivity than the outer layer 27A correspond to the inner layer 27B.
- the intermediate layer and the innermost layer correspond to the inner layer 27B.
- the noble metal tip 32 is bonded to the center axis CL2 of the ground electrode 27 in a state where the center axis CL3 of the noble metal tip 32 is shifted by 0.1 mm or more toward the rear end side in the axis CL1 direction.
- the center axis CL3 of the noble metal tip 32 is shifted to the rear end side in the direction of the axis CL1 with respect to the center axis CL2 of the ground electrode 27, and the deviation amount of the noble metal tip 32 is less than 0.1 mm. Also good.
- the tip of the inner peripheral surface 27i of the ground electrode 27 is formed by cutting or pressing.
- the noble metal tip 32 may be bonded after being processed into a flat shape.
- the noble metal tip 32 can be joined to the ground electrode 27 relatively easily and stably.
- the bonding strength of the noble metal tip 32 to the ground electrode 27 can be further improved, and the peel resistance can be further improved.
- the inner peripheral surface of the ground electrode 27 can be formed in a concave shape toward the outer peripheral side, and the noble metal tip 32 is joined to the concave portion, whereby the central axis of the ground electrode 27 is obtained.
- the overlapping region of the noble metal tip 32 on the inner layer 27B along the CL2 can be increased relatively easily.
- the peel resistance and durability can be improved relatively easily and more reliably.
- the tip surface 32f of the noble metal tip 32 is configured to face the side surface of the center electrode 5 (noble metal portion 31).
- the distal end surface 32f may be configured to face the axis line CL1 positioned on the distal end side with respect to the center electrode 5. In this case, peeling resistance and flame propagation can be improved in a balanced manner.
- the ground electrode 27 has a circular cross section, but the cross sectional shape of the ground electrode 27 is not particularly limited. Therefore, as shown in FIG. 13 (a), the ground electrode 27 may be configured to have an oval cross section, and as shown in FIG. 13 (b), flat chamfers are formed at the four corners of the rectangular cross section. It is good also as comprising in the cross-sectional shape (cross-sectional octagon shape) which provided the part 27ch. Further, as shown in FIG. 13C, a configuration may be adopted in which a curved portion 27cu is provided instead of the cutout portion 27ch (only a part of the cutout portion 27ch is replaced with the curved portion 27cu). It is also possible. In this case, similarly to the case where the ground electrode 27 has a circular cross section, the air-fuel mixture can easily flow into the spark discharge gap 33, and the ignitability can be improved.
- the inner peripheral surface 27i is flattened by cutting or pressing the tip of the inner peripheral surface 27i of the ground electrode 27. It is good also as comprising in a shape.
- the length of the inner layer 27B on the projection plane PH along the width direction of the inner layer 27B is A, and the projection plane along the width direction is A.
- the arrangement position of the noble metal tip 32 with respect to the inner layer 27B may be adjusted so as to satisfy 0.35 ⁇ a / A ⁇ 0.60.
- the overlapping area OA between the inner layer 27B and the noble metal tip 32 along the central axis CL2 of the ground electrode 27 can be made larger. Therefore, the heat drawing performance of the noble metal tip 32 can be further improved.
- the inner layer 27B satisfies 0.07 ⁇ b / A ⁇ 0.40. It is good also as adjusting the arrangement position of the noble metal tip 32 with respect to. When configured to satisfy 0.07 ⁇ b / A ⁇ 0.40, the overlapping area OA can be made even larger. For this reason, it is possible to further improve the heat drawing performance of the noble metal tip 32.
- the ground electrode 27 is joined to the distal end surface of the distal end portion 26 of the metal shell 3 .
- a part of the metal shell or pre-welded to the metal shell
- the present invention can also be applied to the case where the ground electrode is formed by cutting out a part of a certain tip metal fitting (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-236906).
- the ground electrode 27 may be joined to the side surface of the tip portion 26 of the metal shell 3.
- the tool engaging portion 19 has a hexagonal cross section, but the shape of the tool engaging portion 19 is not limited to such a shape.
- it may be a Bi-HEX (deformed 12-angle) shape [ISO 22777: 2005 (E)].
- FIG. 1 It is a partially broken front view which shows the structure of the spark plug of this embodiment.
- (A) is a partially broken enlarged front view showing the configuration of the tip portion of the spark plug, and (b) is a partially enlarged side view when the ground electrode and the like are viewed from the tip surface side of the ground electrode.
- (A) is an enlarged sectional view showing the shortest distance between the inner layer and the noble metal tip, and (b) is a schematic diagram showing the overlapping region of the inner layer and the noble metal tip on the projection plane. It is a graph which shows the relationship between a noble metal chip
- A)-(c) is the partial expanded side view when the ground electrode etc. in another embodiment are visually recognized from the front end surface of the ground electrode.
- A)-(c) is the partial expanded side view when the ground electrode etc. in another embodiment are visually recognized from the front end surface of the ground electrode. It is a schematic diagram for showing the width direction length etc. of the inner layer in a projection surface, and an overlapping area
Landscapes
- Spark Plugs (AREA)
Abstract
貴金属チップの熱引き性能を向上させ、耐剥離性等の向上を図る。スパークプラグ１は、軸線ＣＬ１方向に延びる中心電極５、接地電極２７、貴金属チップ３２等を備える。貴金属チップ３２の中心軸ＣＬ３が接地電極２７の中心軸ＣＬ２に対して軸線ＣＬ１方向基端側にずれた状態とされ、接地電極２７は、外層２７Ａ及び内層２７Ｂを備え、内層２７Ｂの先端が、接地電極２７の基端よりも軸線ＣＬ１側に位置する。前記中心軸ＣＬ２に直交する断面のうち内層２７Ｂの断面積が最大となる断面に対して、接地電極２７の先端面２７ｆ側から視認した面を前記中心軸ＣＬ２に沿って投影させてなる投影面ＰＨについて、投影面ＰＨの内層２７Ｂと貴金属チップ３２との重なり領域ＯＡの占める割合が２５％以上とされている。
Description
本発明は、内燃機関に使用されるスパークプラグに関する。
自動車エンジン等の内燃機関用のスパークプラグは、例えば軸線方向に延びる中心電極と、その外側に設けられた絶縁体と、当該絶縁体の外側に設けられた筒状の主体金具と、基端部が前記主体金具の先端部に接合された接地電極とを備える。また、接地電極は、その内周面の先端部が前記中心電極の先端部と対向するように曲げ返されて配置され、これにより中心電極の先端部及び接地電極の先端部間に火花放電間隙が形成される。加えて、中心電極の先端部、及び、接地電極の先端部に、それぞれ貴金属合金よりなるチップ（貴金属チップ）を接合することで、耐火花消耗性の向上を図る技術が提案されている。（例えば、特許文献１等参照）。
また、接地電極について良好な熱引き性能を実現するという観点から、接地電極を、Ｎｉ合金からなる外層、及び、前記Ｎｉ合金よりも良熱伝導性金属である銅合金等からなる内層の２層構造とする技術が知られている。
特開平５－２４２９５２号公報
ところで、近年、燃焼効率の向上等の観点から燃焼室内の一層の高温化が要求されている。ここで、接地電極に貴金属チップを設けた場合には、当該貴金属チップの熱は接地電極を介して引かれることとなるが、上述のように燃焼室内がより高温化されると、接地電極を介した貴金属チップの熱引きが不十分となってしまうおそれがある。貴金属チップの熱引きが不十分となってしまうと、貴金属チップと接地電極との間の温度差が増大してしまうため、貴金属チップと接地電極との溶接部分に作用する応力が大きくなり、ひいては貴金属チップの耐剥離性が低下してしまうことが懸念される。加えて、貴金属チップの耐久性が低下してしまい、貴金属チップを設けたことによる耐火花消耗性の向上という作用効果が十分に奏されないおそれがある。
本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、接地電極の内層と貴金属チップとの位置関係を最適化することで、貴金属チップの熱引き性能を向上させ、ひいては貴金属チップの耐剥離性や耐久性を向上させることができる内燃機関用スパークプラグを提供することにある。
以下、上記目的を解決するのに適した各構成につき、項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する構成に特有の作用効果を付記する。
構成１．本構成の内燃機関用スパークプラグは、軸線方向に延びる棒状の中心電極と、
前記軸線方向に延びる軸孔を有するとともに、前記中心電極が前記軸孔に設けられた略円筒状の絶縁体と、
前記絶縁体の外周に設けられた略円筒状の主体金具と、
前記主体金具の先端部から延び、先端が前記中心電極に向けて曲げられて配置された接地電極と、
前記接地電極の先端部に接合された貴金属チップとを備え、
前記中心電極の先端部及び前記貴金属チップの間に間隙が形成されてなる内燃機関用スパークプラグであって、
前記貴金属チップは、その中心軸が前記接地電極の中心軸に対して前記軸線方向基端側にずれた状態で接合されるとともに、
前記接地電極は、ニッケル合金よりなる外層及び当該外層よりも良熱伝導性素材を含んでなる内層を備え、
前記接地電極の基端よりも前記内層の先端が前記軸線側に位置し、
前記接地電極の中心軸に直交する断面のうち、前記内層の断面積が最大となる断面に、前記接地電極の先端面側から視認した面を前記接地電極の中心軸に沿って投影させてなる投影面について、
前記投影面における前記内層と前記貴金属チップとの重なり領域の占める割合（重なり割合）を２５％以上としたことを特徴とする。
前記軸線方向に延びる軸孔を有するとともに、前記中心電極が前記軸孔に設けられた略円筒状の絶縁体と、
前記絶縁体の外周に設けられた略円筒状の主体金具と、
前記主体金具の先端部から延び、先端が前記中心電極に向けて曲げられて配置された接地電極と、
前記接地電極の先端部に接合された貴金属チップとを備え、
前記中心電極の先端部及び前記貴金属チップの間に間隙が形成されてなる内燃機関用スパークプラグであって、
前記貴金属チップは、その中心軸が前記接地電極の中心軸に対して前記軸線方向基端側にずれた状態で接合されるとともに、
前記接地電極は、ニッケル合金よりなる外層及び当該外層よりも良熱伝導性素材を含んでなる内層を備え、
前記接地電極の基端よりも前記内層の先端が前記軸線側に位置し、
前記接地電極の中心軸に直交する断面のうち、前記内層の断面積が最大となる断面に、前記接地電極の先端面側から視認した面を前記接地電極の中心軸に沿って投影させてなる投影面について、
前記投影面における前記内層と前記貴金属チップとの重なり領域の占める割合（重なり割合）を２５％以上としたことを特徴とする。
尚、中心電極の先端部に貴金属合金よりなる貴金属部を設けることとしてもよい。この場合には、中心電極に設けられた貴金属部と接地電極に設けられた貴金属チップとの間で前記間隙が形成されることとなる。
上記構成１によれば、接地電極は、外層及び当該外層よりも良熱伝導性素材を含んでなる内層によって形成された２層構造となっており、また、前記内層が、接地電極の基端よりも軸線側に延出している（接地電極の中心軸及び軸線を通る断面において、前記内層が主体金具の内周面を前記軸線に沿って先端側に延ばした直線を越えて延出している）。すなわち、熱伝導性に優れる内層が貴金属チップに対して比較的近接した位置にまで設けられているため、貴金属チップの熱を内層を介して引きやすくすることができ、ひいては貴金属チップの熱引き性能を向上させることができる。
さらに、燃焼室の中心側においては受熱量がより増大するところ、前記貴金属チップは、自身の中心軸が接地電極の中心軸よりも軸線方向基端側（主体金具側）にずれた状態で接地電極に対して接合されている。すなわち、燃焼室の中心からより離間した位置に貴金属チップが設けられている。このため、燃焼に伴う貴金属チップの受熱量を比較的低減させることができ、耐剥離性や耐久性の低下をより確実に防止することができる。
また、本構成１によれば、接地電極の中心軸と直交する断面のうち、内層の断面積が最大となる断面に対して、接地電極の先端面側から視認した面を接地電極の中心軸に沿って投影させてなる投影面について、当該投影面における内層と貴金属チップとの重なり領域の面積が、投影面における内層の面積の２５％以上となるようにして貴金属チップが設けられている。すなわち、接地電極の中心軸に沿った内層と貴金属チップとの重なり領域が比較的大きなものとされている。これにより、貴金属チップの熱を熱伝導性に優れる内層を介して主体金具側へと効率よく引くことができ、貴金属チップの熱引き性能を一層向上させることができる。その結果、耐剥離性及び耐久性の一層の向上を図ることができる。
以上より、本構成１を採用することで、各部位によって発揮される効果が複合的に作用し、これらの相互作用により、貴金属チップの耐剥離性及び耐久性の飛躍的な向上を図ることができる。
また、貴金属チップの耐剥離性及び耐久性の飛躍的な向上が図られることから、貴金属チップを設けたことによる耐火花消耗性の向上といった作用効果がより確実、かつ、より効果的に奏されることとなる。
構成２．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１において、前記投影面における前記内層と前記貴金属チップとの重なり領域の占める割合（重なり割合）を２８％以上としたことを特徴とする。
上記構成２によれば、貴金属チップの耐剥離性及び耐久性をより一層向上させることができる。尚、耐剥離性及び耐久性の更なる向上を図るという観点からは、接地電極の中心軸に沿った内層に対する貴金属チップの重なり割合をより増大させることが好ましい。従って、前記重なり割合を３０％以上とすることがより好ましい。
構成３．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１又は２において、前記貴金属チップは、その中心軸が前記接地電極の中心軸に対して前記軸線方向基端側に０．１ｍｍ以上ずれた状態で接合されていることを特徴とする。
上記構成３によれば、貴金属チップが燃焼室の中心からより一層離間した位置に配置されることとなる。このため、貴金属チップの受熱量の一層の低減を図ることができ、耐久性の更なる向上を図ることができる。
構成４．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１乃至３のいずれかにおいて、前記内層と前記貴金属チップとの最短距離を０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下としたことを特徴とする。
上記構成４によれば、内層及び貴金属チップ間の距離が２ｍｍ以下とされているため、貴金属チップの熱を熱伝導性に優れた内層によってより効率的に引くことができる。
一方で、内層及び貴金属チップ間の距離が０．５ｍｍ未満とされると、貴金属チップの熱が過度に引かれることとなり、貴金属チップと接地電極との間で温度差が生じ、両者の接合部分に作用する応力が増大してしまうおそれがある。この点において、本構成４によれば、内層及び貴金属チップ間の最短距離が０．５ｍｍ以上とされているため、貴金属チップと接地電極との温度差を比較的小さなものとすることができ、両者の接合部分に作用する応力を比較的小さいものとすることができる。
以上より、内層及び貴金属チップ間の距離を０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることで、貴金属チップの熱を十分に、但し、過度なものとならない程度に引くことができ、耐剥離性の一層の向上を図ることができる。
構成５．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１乃至４のいずれかにおいて、前記貴金属チップを、前記貴金属チップの先端面が前記接地電極の先端面から突出した状態で前記接地電極のうち前記中心電極側に位置する内周面に接合したことを特徴とする。
上記構成５によれば、貴金属チップを燃焼室の中心からより一層離間させた位置に配置することができるため、耐剥離性及び耐久性のより一層の向上を図ることができる。
構成６．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成５において、前記接地電極の中心軸に沿った前記接地電極に対する前記貴金属チップの接合部分の長さを０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下としたことを特徴とする。
接地電極に対する貴金属チップの接合部分が大きすぎる（長すぎる）場合には、接合部分の各部位を均等に溶接することが困難なものとなり、溶接ムラが生じやすくなってしまう。ここで、溶接ムラが生じてしまうと、接合部分の各部位において、発生する熱応力に差異が生じてしまい、貴金属チップがより剥がれやすくなってしまうおそれがある。一方で、接地電極に対する貴金属チップの接合部分が小さすぎる（短すぎる）場合には、十分な接合強度を確保することができず、耐剥離性が低下してしまうことが懸念される。
この点、上記構成６によれば、接地電極の中心軸に沿った、接地電極に対する貴金属チップの接合部分の長さが０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とされている。従って、溶接ムラが生じてしまう可能性を極力低減することができるとともに、十分な接合強度を確保することができる。その結果、耐剥離性のより一層の向上を図ることができる。
構成７．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成５又は６において、前記貴金属チップの前記接地電極の内周面からの埋没量を０．１ｍｍ以上としたことを特徴とする。
上記構成７によれば、貴金属チップが接地電極に対して十分な埋没量をもって接合されているため、両者の接合強度を向上させることができ、ひいては耐剥離性の一層の向上を図ることができる。
構成８．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１乃至７のいずれかにおいて、前記接地電極のうち前記貴金属チップの接合される部位を平坦状としたことを特徴とする。
上記構成８によれば、接地電極のうち貴金属チップが接合される部位は平坦状とされているため、貴金属チップを接地電極に対して比較的容易に、かつ、安定した状態で接合することができる。その結果、両者の接合強度を一層向上させることができ、貴金属チップの耐剥離性のより一層の向上を図ることができる。
尚、本構成８は、火花放電間隙に対して混合気をより流入しやすくすることで着火性の向上を図るべく、断面円形状等に形成された接地電極を用いる場合においてより有意である。
構成９．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成８において、前記接地電極の内周面に対して切削加工或いはプレス加工を施すことによって前記貴金属チップの接合される部位を平坦状としたことを特徴とする。
上記構成９によれば、接地電極のうち貴金属チップが接合される部位を比較的容易に平坦状とすることができる。また、切削加工やプレス加工等を施すことによって、接地電極の内周面が外周側へと凹んだ形状となり、当該凹み部分に貴金属チップを接合することで、接地電極の中心軸に沿った内層に対する貴金属チップの重なり割合を比較的容易に増大させることができる。すなわち、上記構成１を比較的容易に実現することができ、耐剥離性及び耐久性を比較的容易に、かつ、より確実に向上させることができる。
構成１０．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１乃至９のいずれかにおいて、前記貴金属チップの先端面が、前記中心電極の先端部と対向して配置されており、
前記軸線方向と直交する方向にほぼ沿って火花放電が行われることを特徴とする。
前記軸線方向と直交する方向にほぼ沿って火花放電が行われることを特徴とする。
上記構成１０のように、所謂横方向に火花放電するタイプのスパークプラグにおいて上述の各構成の技術思想を具現化することが考えられる。この場合には、接地電極の燃焼室中心側への突き出し量を比較的小さくすることができるため、接地電極や貴金属チップの受熱量をより低減させることができ、耐剥離性や耐久性のより一層の向上を図ることができる。
構成１１．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１乃至９のいずれかにおいて、前記貴金属チップの前記軸線方向における端面が、前記中心電極の先端部と対向して配置されており、
前記軸線方向にほぼ沿って火花放電が行われることを特徴とする。
前記軸線方向にほぼ沿って火花放電が行われることを特徴とする。
上記構成１１のように、所謂縦方向に放電するタイプのスパークプラグに上述の各構成の技術思想を具現化してもよい。この場合には、火花放電間隙が燃焼室のより中心側に位置することとなり、優れた着火性を実現することができる。
構成１２．本構成の内燃機関用スパークプラグは、前記貴金属チップの先端面が、前記中心電極よりも先端側に位置する前記軸線と対向して配置されており、
前記軸線方向に対し斜めに火花放電が行われることを特徴とする。
前記軸線方向に対し斜めに火花放電が行われることを特徴とする。
上記構成１２のように、所謂斜め方向に放電するタイプのスパークプラグに上述の各構成の技術思想を具現化してもよい。この場合には、接地電極の突き出し量を比較的小さくすることができるため、接地電極等の受熱量の低減を図ることができ、耐剥離性等の一層の向上を図ることができる。また、縦方向に放電するタイプにおいては、接地電極によって燃焼室の中心側に向けた火炎の伝播が阻害されてしまうことが懸念されるが、本構成１２によれば、当該懸念を払拭することができ、火炎伝播性の向上を図ることができる。すなわち、斜め方向に放電するタイプを採用することで、耐剥離性及び火炎伝播性をバランスよく向上させることができる。
構成１３．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１乃至１２のいずれかにおいて、前記接地電極の中心軸に直交する断面における、前記接地電極の最大断面積を３．３ｍｍ2以下としたことを特徴とする。
近年、スパークプラグの小径化（例えば、ねじ部の外径がＭ１２以下）の要請から、一般的に接地電極が接合される主体金具の先端面の面積がより小さなものとされ、また、このような比較的小さな先端面を有する主体金具に対応すべく、より細い（断面積のより小さい）接地電極が採用され得る。加えて、火花放電間隙に対して混合気を流入しやすくするという観点から、上述したように接地電極を断面円形状等に形成した場合には、接地電極の断面積が比較的小さなものとなりやすい。ここで、接地電極の断面積を比較的小さなものとした場合には、接地電極を介してなされる貴金属チップの熱引き性能が不十分なものとなりやすい。すなわち、断面積が比較的小さな接地電極においては、貴金属チップの耐剥離性や耐久性の低下が一層懸念される。
この点、上記構成１３における接地電極は、その最大断面積が３．３ｍｍ2以下と比較的小さなものであり、耐剥離性や耐久性の低下が懸念されるところであるが、上記構成１等を採用することで、貴金属チップについて十分な熱引き性能を実現することができる。換言すれば、接地電極の断面積が比較的小さい場合において、上記構成１等を採用することがより有意であるといえる。
また、特に接地電極の断面積が小さな場合（３．３ｍｍ2以下である場合）において、前記投影面における内層に対して、前記投影面における内層と貴金属チップとの重なり領域の占める割合（重なり割合）を２５％以上としたことによる作用効果がより効果的に奏される。より詳しくは、重なり割合が比較的小さい（２５％未満）ときの熱引き性能を基準として、重なり割合が比較的大きい（２５％以上）ときの熱引き性能の向上割合について鑑みると、接地電極の断面積が小さいほど、熱引き性能の向上割合を増加させることができる。すなわち、重なり割合を２５％以上とすることは、接地電極の断面積が比較的小さな場合において特に有意であるといえる。
構成１４．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１乃至１３のいずれかにおいて、前記内層の幅方向に沿った、前記投影面における前記内層の長さをＡとし、
前記内層の幅方向に沿った、前記投影面における前記内層と前記貴金属チップとの重なり領域の長さをａとしたとき、
０．３５≦ａ／Ａ≦０．６０
を満たすことを特徴とする。
前記内層の幅方向に沿った、前記投影面における前記内層と前記貴金属チップとの重なり領域の長さをａとしたとき、
０．３５≦ａ／Ａ≦０．６０
を満たすことを特徴とする。
尚、「前記内層の幅方向」とあるのは、前記軸線と前記接地電極の中心軸とを含む平面に直交する方向をいう。
上記構成１４によれば、接地電極の中心軸に沿った内層と貴金属チップとの重なり領域をより大きなものとすることができる。このため、貴金属チップの熱引き性能をより一層向上させることができる。
尚、０．３５＞ａ／Ａとしたときには、貴金属チップの熱引き性能の向上という作用効果が十分に奏されないおそれがある。一方、ａ／Ａ＞０．６０とする場合、すなわち、接地電極に対して貴金属チップが埋められる体積をより増大させる場合には、抵抗溶接により貴金属チップを接合することが難しくなるため、接地電極に対して切削加工等により凹部を設けた上で、当該凹部に貴金属チップを接合することが必要となる。従って、ａ／Ａ＞０．６０としたときには、貴金属チップを接合する際の工程の増大を招いてしまうおそれがある。また、前記凹部を基点として接地電極の折損等が発生してしまったり、接地電極が加熱されやすくなってしまったりするおそれがある。
構成１５．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１乃至１４のいずれかにおいて、前記内層の幅方向に沿った、前記投影面における前記内層の長さをＡとし、
前記内層の幅方向に直交する方向に沿った、前記投影面における前記内層と前記貴金属チップとの重なり領域の長さをｂとしたとき、
０．０７≦ｂ／Ａ≦０．４０
を満たすことを特徴とする。
前記内層の幅方向に直交する方向に沿った、前記投影面における前記内層と前記貴金属チップとの重なり領域の長さをｂとしたとき、
０．０７≦ｂ／Ａ≦０．４０
を満たすことを特徴とする。
上記構成１５によれば、接地電極の中心軸に沿った内層と貴金属チップとの重なり領域をより一層増大させることができる。その結果、貴金属チップの熱引き性能の更なる向上を図ることができる。
尚、０．０７＞ｂ／Ａとしたときには、貴金属チップの熱引き性能の向上という作用効果が十分に奏されないおそれがある。一方で、ｂ／Ａ＞０．４０としたときには、上述した、ａ／Ａ＞０．６０とする場合と同様に、貴金属チップを接合する際の工程の増大や、凹部を基点とした接地電極の折損等を招いてしまうおそれがある。
以下に、一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、内燃機関用スパークプラグ（以下、「スパークプラグ」と称す）１を示す一部破断正面図である。尚、図１では、スパークプラグ１の軸線ＣＬ１方向を図面における上下方向とし、下側をスパークプラグ１の先端側、上側を後端側として説明する。
スパークプラグ１は、筒状をなす絶縁体としての絶縁碍子２、これを保持する筒状の主体金具３などから構成されるものである。
絶縁碍子２は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成されており、その外形部において、後端側に形成された後端側胴部１０と、当該後端側胴部１０よりも先端側において径方向外向きに突出形成された大径部１１と、当該大径部１１よりも先端側においてこれよりも細径に形成された中胴部１２と、当該中胴部１２よりも先端側においてこれより細径に形成された脚長部１３とを備えている。絶縁碍子２のうち、大径部１１、中胴部１２、及び、大部分の脚長部１３は、主体金具３の内部に収容されている。そして、脚長部１３と中胴部１２との連接部にはテーパ状の段部１４が形成されており、当該段部１４にて絶縁碍子２が主体金具３に係止されている。
さらに、絶縁碍子２には、軸線ＣＬ１に沿って軸孔４が貫通形成されており、当該軸孔４の先端側には中心電極５が挿入、固定されている。当該中心電極５は、全体として棒状（円柱状）をなし、その先端面が平坦に形成されるとともに、絶縁碍子２の先端から突出している。また、中心電極５は、銅又は銅合金からなる内層５Ａと、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするＮｉ合金からなる外層５Ｂとを備えている。さらに、前記中心電極５の先端部には、貴金属合金（例えば、イリジウム合金）よりなる円柱状の貴金属部３１が設けられている。より詳しくは、前記外層５Ａと前記貴金属部３１との当接面の外周に対してレーザ溶接等により溶接部４１〔図２（ａ）等参照〕が形成されることによって、貴金属部３１が設けられている。
また、軸孔４の後端側には、絶縁碍子２の後端から突出した状態で端子電極６が挿入、固定されている。
さらに、軸孔４の中心電極５と端子電極６との間には、円柱状の抵抗体７が配設されている。当該抵抗体７の両端部は、導電性のガラスシール層８，９を介して、中心電極５と端子電極６とにそれぞれ電気的に接続されている。
加えて、前記主体金具３は、低炭素鋼等の金属により筒状に形成されており、その外周面にはスパークプラグ１をエンジンヘッドに取付けるためのねじ部（雄ねじ部）１５が形成されている。また、ねじ部１５の後端側の外周面には座部１６が形成され、ねじ部１５後端のねじ首１７にはリング状のガスケット１８が嵌め込まれている。さらに、主体金具３の後端側には、主体金具３をエンジンヘッドに取付ける際にレンチ等の工具を係合させるための断面六角形状の工具係合部１９が設けられるとともに、後端部において絶縁碍子２を保持するための加締め部２０が設けられている。
また、主体金具３の内周面には、絶縁碍子２を係止するためのテーパ状の段部２１が設けられている。そして、絶縁碍子２は、主体金具３の後端側から先端側に向かって挿入され、自身の段部１４が主体金具３の段部２１に係止された状態で、主体金具３の後端側の開口部を径方向内側に加締めること、つまり上記加締め部２０を形成することによって固定される。尚、絶縁碍子２及び主体金具３双方の段部１４，２１間には、円環状の板パッキン２２が介在されている。これにより、燃焼室内の気密性を保持し、燃焼室内に晒される絶縁碍子２の脚長部１３と主体金具３の内周面との隙間に入り込む燃料空気が外部に漏れないようになっている。
さらに、加締めによる密閉をより完全なものとするため、主体金具３の後端側においては、主体金具３と絶縁碍子２との間に環状のリング部材２３，２４が介在され、リング部材２３，２４間にはタルク（滑石）２５の粉末が充填されている。すなわち、主体金具３は、板パッキン２２、リング部材２３，２４及びタルク２５を介して絶縁碍子２を保持している。
また、主体金具３の先端部２６の先端面に対して、Ｎｉ合金等で構成された接地電極２７が接合されている。加えて、当該接地電極２７は、先端側が曲げ返されることで、先端面２７ｆが中心電極５（貴金属部３１）の側面部と対向するように構成されている。
さらに、本実施形態では、図２（ａ）に示すように、接地電極２７は、外層２７Ａ及び内層２７Ｂからなる２層構造となっている。より詳しくは、前記外層２７ＡはＮｉ合金〔例えば、インコネル６００やインコネル６０１（いずれも登録商標）〕によって構成されている。一方、前記内層２７Ｂは、前記Ｎｉ合金よりも良熱導電性金属である銅合金又は純銅によって構成されている。加えて、図２（ｂ）に示すように、接地電極２７は断面円形状をなすとともに、接地電極２７の中心軸ＣＬ２に直交する断面において、接地電極２７の最大断面積が３．３ｍｍ2以下とされている。
図２（ｂ）に戻り、前記接地電極２７の内周面２７ｉの先端部には、貴金属合金（例えば、白金合金）よりなる角柱状の貴金属チップ３２が接合されている。より詳しくは、前記貴金属チップ３２は、その一部が接地電極２７に埋め込まれるとともに、その先端面３２ｆが接地電極２７の先端面２７ｆから前記軸線ＣＬ１と直交する方向に突出した状態で接合されている。また、貴金属部３１の側面部及び貴金属チップ３２の先端部の間には、間隙としての火花放電間隙３３が形成され、前記軸線ＣＬ１にほぼ直交した方向で火花放電が行われることとなる。
併せて、図３（ａ）に示すように、貴金属チップ３２が、その先端面３２ｆが前記中心電極５（貴金属部３１）の側面部と対向するようにして接地電極２７に対して接合されている。より詳しくは、貴金属チップ３２の中心軸ＣＬ３が接地電極２７の中心軸ＣＬ２に対して前記軸線ＣＬ１方向後端側（主体金具３側）に０．１ｍｍ以上ずれた状態で接地電極２７に対して接合されている。さらに、接地電極２７の中心軸ＣＬ２及び前記軸線ＣＬ１を通る断面において、前記主体金具３の内周面を前記軸線ＣＬ１に沿って延出させてなる直線ＳＬよりも（つまり、接地電極２７の基端より）前記軸線ＣＬ１側に前記内層２７Ｂの先端が位置している。すなわち、内層２７Ｂは、接地電極２７の先端部側にまで延出した状態で設けられている。尚、本実施形態においては、前記内層２７Ｂと前記貴金属チップ３２との最短距離Ｃが０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下（例えば、１ｍｍ）とされている。加えて、接地電極２７に対する前記貴金属チップ３２の接合部分の接地電極２７の中心軸ＣＬ２に沿った長さ（接合部長さ）Ｄが０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とされている。また、貴金属チップ３２の前記接地電極２７の内周面２７ｉからの埋没量Ｅが０．１ｍｍ以上とされている。
また、図３（ｂ）に示すように、前記接地電極２７の中心軸ＣＬ２に直交する断面のうち、前記内層２７Ｂの断面積が最大となる断面に対して、接地電極２７の先端面２７ｆ側から視認した面を接地電極２７の中心軸ＣＬ２に沿って投影させてなる投影面ＰＨにおいて、前記投影面ＰＨにおける前記内層２７Ｂに対する、前記投影面ＰＨにおける前記内層２７Ｂと前記貴金属チップ３２との重なり領域ＯＡ（図中、散点模様を付した部位）の占める割合（重なり割合）が２５％以上とされている。
次に、上記のように構成されてなるスパークプラグ１の製造方法について説明する。まず、主体金具３を予め加工しておく。すなわち、円柱状の金属素材（例えばＳ１７ＣやＳ２５Ｃといった鉄系素材やステンレス素材）を冷間鍛造加工により貫通孔を形成し、概形を製造する。その後、切削加工を施すことで外形を整え、主体金具中間体を得る。
続いて、主体金具中間体の先端面に、Ｎｉ合金及び銅合金からなる２層構造の接地電極２７が抵抗溶接される。当該溶接に際してはいわゆる「ダレ」が生じるので、その「ダレ」を除去した後、主体金具中間体の所定部位にねじ部１５が転造によって形成される。これにより、接地電極２７の溶接された主体金具３が得られる。接地電極２７の溶接された主体金具３には、亜鉛メッキ或いはニッケルメッキが施される。尚、耐食性向上を図るべく、その表面に、さらにクロメート処理が施されることとしてもよい。
一方、前記主体金具３とは別に、絶縁碍子２を成形加工しておく。例えば、アルミナを主体としバインダ等を含む原料粉末を用い、成型用素地造粒物を調製し、これを用いてラバープレス成形を行うことで、筒状の成形体が得られる。得られた成形体に対し、研削加工が施され整形される。そして、整形されたものが焼成炉へ投入され焼成され、絶縁碍子２が得られる。
また、前記主体金具３、絶縁碍子２とは別に、中心電極５を製造しておく。すなわち、Ｎｉ合金が鍛造加工され、その中央部に放熱性向上を図るべく銅合金からなる内層５Ａが設けられる。次に、中心電極５の先端部に対して貴金属部３１がレーザ溶接により設けられる。より詳しくは、前記外層５Ｂの先端面と円柱状の貴金属部３１の基端面とを重ね合わせた上で、両者の当接面の外周に対してレーザービームを照射し、溶融部４１を形成することによって、中心電極５の先端部に貴金属部３１が設けられる。
そして、上記のようにして得られた絶縁碍子２及び中心電極５と、抵抗体７と、端子電極６とが、ガラスシール層８，９によって封着固定される。ガラスシール層８，９としては、一般的にホウ珪酸ガラスと金属粉末とが混合されて調製されており、当該調製されたものが抵抗体７を挟むようにして絶縁碍子２の軸孔４内に注入された後、焼成炉内にて加熱しつつ、後方から前記端子電極６で押圧することにより焼き固められる。尚、このとき、絶縁碍子２の後端側胴部１０表面には釉薬層が同時に焼成されることとしてもよいし、事前に釉薬層が形成されることとしてもよい。
その後、上記のようにそれぞれ作成された中心電極５及び端子電極６を備える絶縁碍子２と、接地電極２７を備える主体金具３とが組付けられる。より詳しくは、比較的薄肉に形成された主体金具３の後端側の開口部を径方向内側に加締めること、つまり上記加締め部２０を形成することによって固定される。
次いで、接地電極２７の先端部に、貴金属チップ３２を抵抗溶接する。このとき、貴金属チップ３２を接地電極２７に対して比較的大きく埋没させることで、前記投影面における内層２７Ｂに対する、前記投影面ＰＨにおける内層２７Ｂと前記貴金属チップ３２との重なり領域ＯＨの占める割合（重なり割合）が２５％以上とされている。そして、最後に、接地電極２７を屈曲させることで、中心電極５（貴金属部３１）及び接地電極２７に設けられた貴金属チップ３２間の前記火花放電間隙３３を調整する加工が実施される。
以上詳述したように、本実施形態によれば、接地電極２７は、外層２７Ａ及び当該外層２７Ａよりも良熱伝導性素材を含んでなる内層２７Ｂによって形成された２層構造となっており、また、接地電極２７の中心軸ＣＬ２及び軸線ＣＬ１を通る断面において、前記内層２７Ｂが、主体金具３の内周面を前記軸線ＣＬ１に沿って先端側に延ばした直線ＳＬに至る位置にまで延出している（本実施形態では、前記内層２７Ｂと貴金属チップ３２との最短距離が０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下となる位置にまで内層２７Ｂが延出している）。すなわち、熱伝導性に優れる内層２７Ｂが貴金属チップ３２に対して比較的近接した位置にまで設けられているため、貴金属チップ３２の熱を内層を介して引きやすくすることができ、ひいては貴金属チップ３２の熱引き性能を向上させることができる。
さらに、燃焼室の中心側において受熱量がより増大するところ、貴金属チップ３２は、自身の中心軸ＣＬ３が接地電極２７の中心軸ＣＬ２よりも軸線ＣＬ１方向後端側（主体金具３側）にずれた（本実施形態では、０．１ｍｍ以上ずれた）状態で接地電極２７に対して接合されている。すなわち、燃焼室の中心からより離間した位置に貴金属チップ３２が設けられている。このため、燃焼に伴う貴金属チップ３２の受熱量を比較的低減させることができ、耐剥離性や耐久性の低下をより確実に防止することができる。
また、投影面ＰＨにおける内層２７Ｂと貴金属チップ３２との重なり領域ＯＨの面積が、投影面ＰＨにおける内層２７Ｂの面積の２５％以上とされている。これにより、貴金属チップ３２の熱の多くを熱伝導性に優れる内層２７Ｂを介して主体金具３側へと引くことができ、貴金属チップ３２の熱引き性能を一層向上させることができる。その結果、耐剥離性及び耐久性の一層の向上を図ることができる。
さらに、接地電極２７の中心軸ＣＬ２に沿った、接地電極２７に対する貴金属チップ３２の接合部分の長さ（接合部長さ）が０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とされているため、接合部分の各部で溶接ムラが生じてしまう可能性を極力低減することができるとともに、十分な接合強度を確保することができる。その結果、耐剥離性の更なる向上を図ることができる。
併せて、貴金属チップ３２が接地電極２７に対して十分な埋没量Ｅ（０．１ｍｍ以上）をもって接合されているため、両者の接合強度を向上させることができ、ひいては耐剥離性のより一層の向上を図ることができる。
以上のように、各部位によって発揮される効果が複合的に作用し、これらの相互作用により、貴金属チップ３２の耐剥離性及び耐久性の飛躍的な向上を図ることができる。
さらに、本実施形態においては、接地電極２７が断面円形状に形成されているため、火花放電間隙３３に対して混合気をより流入しやすくすることができ、着火性の向上を図ることができる。
また、接地電極２７の先端面２７ｆに対して前記貴金属チップ３２の先端面３２ｆが軸線ＣＬ１と直交する方向に突出した状態とされているため、着火性の更なる向上を図ることができる。
次に、本実施形態によって奏される作用効果を確認すべく、前記投影面における内層に対する貴金属チップの重なり割合と、貴金属チップの温度との関係について有限要素法（ＦＥＭ）によるシミュレーションで解析した。当該シミュレーション解析について詳述すると、スパークプラグをエンジンに対して取り付けた状態（つまり、接地電極から主体金具側へと熱が引かれる状態）であって、重なり割合が０％である場合に、貴金属チップの温度が１０００℃となるように雰囲気温度を設定した上で、重なり割合の変化に伴う貴金属チップの温度の変化について解析した。図４に、解析結果を示す。
図４に示すように、重なり割合が２５％未満である場合には、貴金属チップに温度変化はほとんど見られなかったが、重なり割合が２５％以上となると、貴金属チップの温度が減少し、貴金属チップの熱が効率よく引かれていることが明らかとなった。これは、貴金属チップの熱が熱伝導性に優れる内層を通って主体金具側へと効率よく引かれたことによると考えられる。
さらに、重なり割合が２８％以上となると、貴金属チップの温度が一層減少し、貴金属チップの熱が一層効率よく引かれていることがわかった。従って、貴金属チップについて一層優れた熱引き性能を実現するという観点から、重なり割合を２８％以上（例えば、３０％以上）とすることがより好ましいといえる。
次いで、接地電極の中心軸に対する貴金属チップの中心軸のずれ量（チップずれ量）を種々変更したスパークプラグのサンプルを作製し、各サンプルについて冷熱耐久試験を行った。冷熱耐久性試験の概要は次の通りである。すなわち、各サンプルを４気筒２０００ｃｃのエンジンに組み付け、１分間のアイドリング状態の後、１分間の負荷状態（エンジン回転数＝５０００ｒｐｍ）とすることを１サイクルとして、１００サイクルに亘ってエンジンを動作させた。そして、１００サイクル終了後にサンプル断面を観察し、接地電極と貴金属チップとの境界面領域の長さＪ（模式図たる図６参照）に対する、形成された酸化スケールの長さＫ（同じく、図６参照）の割合（酸化スケール割合）を計測した。チップずれ量と酸化スケール割合との関係を図５のグラフに示す。尚、酸化スケール割合が大きいほど、接地電極と貴金属チップとの間の接合部分で大きな熱応力差が発生していることを意味し、ひいては耐剥離性が不十分であることを意味する。また、チップずれ量は、接地電極の中心軸を基準点として、軸線方向先端側へのずれ量をマイナスで表し、軸線方向基端側へのずれ量をプラスで表すこととした。
図５に示すように、チップずれ量が０ｍｍを超えるサンプルについては、酸化スケール割合を比較的低く抑えることができ、十分な耐剥離性を有することがわかった。これは、燃焼室の中心からより離間した位置に貴金属チップが設けられたため、燃焼に伴う貴金属チップの受熱量を比較的低減させることができたことによると考えられる。また、特にチップずれ量が０．１ｍｍ以上のサンプルについては、酸化スケール割合が４０％未満となり、優れた耐剥離性を有することが明らかとなった。従って、耐剥離性のより一層の向上を図るという観点からは、チップずれ量を０．１ｍｍ以上とすることがより望ましいといえる。
次に、内層と貴金属チップと最短距離「ＳＣ」を種々変更したスパークプラグのサンプルを作製し、各サンプルに対して机上バーナー評価試験［サンプルを、貴金属チップの温度が９５０℃となるようバーナーで２分間加熱後、１分間徐冷することを１サイクルとして、これ繰り返す試験］を１０００サイクル実施し、その後、酸化スケール割合を計測した。図７に、最短距離「ＳＣ」と酸化スケール割合との関係を表すグラフを示す。
図７に示すように、貴金属チップと内層との最短距離「ＳＣ」を０．５ｍｍ未満とした場合、及び、最短距離「ＳＣ」が２ｍｍを超えた場合には、酸化スケール割合が５０％を超えてしまい、耐剥離性が不十分なものとなってしまうことがわかった。これは、次の理由によるものと考えられる。すなわち、最短距離「ＳＣ」を０．５ｍｍ未満とした場合には、貴金属チップの熱が過度に引かれ過ぎることとなってしまい、接地電極及び貴金属チップ間の接合部分で比較的大きな熱応力が生じてしまったことに起因すると考えられる。また、最短距離「ＳＣ」が２ｍｍを超えた場合には、貴金属チップから内層へと熱が伝わりにくくなったため、貴金属チップの熱引きが不十分なものとなってしまったことによると考えられる。
一方で、貴金属チップと内層との最短距離「ＳＣ」を０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下とした場合には、酸化スケール割合が５０％未満となり、優れた耐剥離性を有することが明らかとなった。これは、貴金属チップの熱を十分に、但し、過度なものとならない程度に引くことができたことによると考えられる。尚、耐剥離性の更なる向上を図るという観点からは、最短距離「ＳＣ」を０．５ｍｍ以上１．８ｍｍ以下とすることがより好ましく、最短距離「ＳＣ」を１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とすることがより一層好ましいといえる。
次いで、接地電極に対する貴金属チップの接合部長さ「ＳＤ」、及び、埋没量「ＳＥ」を種々変更したスパークプラグのサンプルを作製し、当該サンプルについて机上バーナー試験［サンプルを、貴金属チップの温度が１０００℃となるようバーナーで２分間加熱後、１分間徐冷することを１サイクルとして、これ繰り返す試験］を実施し、酸化スケール割合が５０％に至ったときのサイクル数（酸化スケール５０％到達サイクル）を測定した。当該試験の結果を、図８に示す。尚、同図においては、埋没量「ＳＥ」を０．０５ｍｍとしたときの試験結果をバツ印でプロットし、埋没量「ＳＥ」を０．１ｍｍとしたときの試験結果を黒四角でプロットした。また、埋没量「ＳＥ」を０．２ｍｍとしたときの試験結果を黒丸でプロットし、さらに、埋没量「ＳＥ」を０．３ｍｍとしたときの試験結果を黒三角でプロットした。
図８に示すように、接合部長さ「ＳＤ」が０．５ｍｍ未満のサンプルは、酸化スケール５０％到達サイクルが１０００サイクル未満となり、酸化スケールが入りやすい、すなわち、耐剥離性が不十分であることが明らかとなった。これは、接合部が小さすぎたため、十分な接合強度を確保できなかったことによると考えられる。また、接合部長さ「ＳＤ」が１．５ｍｍを超えるサンプルについても、酸化スケール５０％到達サイクルが１０００サイクル未満となり、耐剥離性が不十分であることがわかった。これは、接地電極に対する貴金属チップの接合部分が大きすぎたことで、接合部分の各部について溶接ムラが生じてしまったことに起因すると考えられる。
これに対して、埋没量「ＳＥ」が０．０５ｍｍとされたサンプルを除き、接合部長さ「ＳＤ」が０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下のサンプルについては、酸化スケール５０％到達サイクルが１０００サイクルを超え、優れた耐剥離性を有することがわかった。これは、溶接ムラが生じてしまう可能性を極力低減することができたとともに、十分な接合強度を確保することができたことによると考えられる。
次に、接地電極の最大断面積と貴金属チップの温度との関係について有限要素法（ＦＥＭ）によるシミュレーションで解析した〔尚、シミュレーションにおける温度等の条件は、次のように設定した。すなわち、スパークプラグをエンジンに対して取り付けた状態（つまり、接地電極から主体金具側へと熱が引かれる状態）であって、重なり割合が０％である場合に、貴金属チップの温度が１０００℃となるように雰囲気温度を設定した〕。そして、接地電極の最大断面積と、重なり割合を０％としたときにおける貴金属チップの温度を基準として、重なり割合を５０％としたときにおける貴金属チップの温度がどの程度低減しているかについての割合（温度低減率）との関係について算出した。図９に、接地電極の最大断面積と温度低減率との関係を示す。
図９に示すように、接地電極の最大断面積が３．３ｍｍ2以下のサンプルについては、温度低減率が比較的大きくなることが明らかとなった。すなわち、断面積が比較的小さな接地電極においては、耐剥離性や耐久性の低下が懸念されるところであるが、接地電極の断面積が３．３ｍｍ2以下の場合において、重なり割合を２５％以上としたことによる作用効果がより効果的に奏されることがわかった。従って、重なり割合を２５％以上とすることは、接地電極の断面積が３．３ｍｍ2以下と比較的小さな場合においてより有効であるといえる。
尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。
（ａ）上記実施形態では、説明の便宜上、接地電極２７を単なる２層構造をなすものとして説明しているが、３層構造或いは４層以上の多層構造をなしていてもよい。但し、外層２７Ａに対し、その内側の層は、外層２７Ａよりも良熱伝導性金属を含んでいることが望ましい。例えば、外層２７Ａの内側に銅合金或いは純銅で構成された中間層が設けられ、中間層の内側に純ニッケルで構成された最内層が設けられていてもよい。また、接地電極が３層構造以上をなす場合には、外層２７Ａの内側に位置し、当該外層２７Ａよりも良熱伝導性金属を含んでなる複数の層が内層２７Ｂに相当する。例えば、上述した中間層及び最内層を設ける構成を採用した場合においては、前記中間層及び最内層が内層２７Ｂに相当することとなる。
（ｂ）上記実施形態において、貴金属チップ３２は、接地電極２７の中心軸ＣＬ２に対して貴金属チップ３２の中心軸ＣＬ３が軸線ＣＬ１方向後端側に向けて０．１ｍｍ以上ずれた状態で接合されているが、接地電極２７の中心軸ＣＬ２に対して貴金属チップ３２の中心軸ＣＬ３が軸線ＣＬ１方向後端側にずれてさえいればよく、貴金属チップ３２のずれ量は０．１ｍｍ未満であってもよい。
（ｃ）上記実施形態では特に記載していないが、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、切削加工やプレス加工を施すことによって、接地電極２７の内周面２７ｉの先端部を平坦状に加工した上で貴金属チップ３２を接合することとしてもよい。この場合には、接地電極２７に対して貴金属チップ３２を比較的容易に、かつ、安定した状態で接合することができる。その結果、接地電極２７に対する貴金属チップ３２の接合強度を一層向上させることができ、耐剥離性の更なる向上を図ることができる。また、切削加工等を施すことで、接地電極２７の内周面を外周側へと凹んだ形状とすることができ、当該凹み部分に貴金属チップ３２を接合することで、接地電極２７の中心軸ＣＬ２に沿った内層２７Ｂに対する貴金属チップ３２の重なり領域を比較的容易に増大させることができる。その結果、耐剥離性及び耐久性を比較的容易に、かつ、より確実に向上させることができる。
（ｄ）上記実施形態では、貴金属チップ３２の先端面３２ｆが中心電極５（貴金属部３１）の側面部と対向するように構成されているが、図１１に示すように、前記貴金属チップ３２の先端面３２ｆが中心電極５よりも先端側に位置する前記軸線ＣＬ１と対向するように構成することとしてもよい。この場合には、耐剥離性及び火炎伝播性をバランスよく向上させることができる。
（ｅ）また、図１２に示すように、貴金属チップ３２の軸線ＣＬ１方向における端面が、中心電極５（貴金属部３１）の先端部と対向するように構成することとしてもよい。この場合には、火花放電間隙３３が燃焼室のより中心側に位置することとなるため、優れた着火性を実現することができる。
（ｆ）上記実施形態では、接地電極２７は断面円形状とされているが、接地電極２７の断面形状は特に限定されるものではない。従って、図１３（ａ）に示すように、接地電極２７を、断面長円形状に構成することとしてもよいし、図１３（ｂ）に示すように、矩形断面の四隅に平坦面状の面取り部２７ｃｈを設けた断面形状（断面八角形状）に構成することとしてもよい。また、図１３（ｃ）に示すように、前記切り欠き部２７ｃｈに代えて湾曲部２７ｃｕを設けるように構成することとしてもよい（尚、切り欠き部２７ｃｈの一部のみを湾曲部２７ｃｕに置き換えることとしてもよい）。この場合には、接地電極２７を断面円形状とした場合と同様に、混合気を火花放電間隙３３へと流入しやすくすることができ、着火性の向上を図ることができる。
また、図１４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、接地電極２７の内周面２７ｉの先端部に切削加工やプレス加工等を施すことにより、前記内周面２７ｉを平坦状に構成することとしてもよい。
（ｇ）上記実施形態では特に記載していないが、図１５に示すように、内層２７Ｂの幅方向に沿った投影面ＰＨにおける内層２７Ｂの長さをＡとし、前記幅方向に沿った投影面ＰＨにおける重なり領域ＯＡの長さをａとしたとき、０．３５≦ａ／Ａ≦０．６０を満たすように、内層２７Ｂに対する貴金属チップ３２の配置位置を調整することとしてもよい。この場合には、接地電極２７の中心軸ＣＬ２に沿った内層２７Ｂと貴金属チップ３２との重なり領域ＯＡをより大きなものとすることができる。そのため、貴金属チップ３２の熱引き性能をより一層向上させることができる。
また、内層２７Ｂの幅方向に直交する方向に沿った、投影面ＰＨにおける前記重なり領域ＯＡの長さをｂとしたとき、０．０７≦ｂ／Ａ≦０．４０を満たすように、内層２７Ｂに対する貴金属チップ３２の配置位置を調整することとしてもよい。０．０７≦ｂ／Ａ≦０．４０を満たすように構成した場合には、前記重なり領域ＯＡをより一層大きなものとすることができる。そのため、貴金属チップ３２の熱引き性能の更なる向上を図ることができる。尚、上述した、０．３５≦ａ／Ａ≦０．６０、及び、０．０７≦ｂ／Ａ≦０．４０を同時に満たすように構成することで、貴金属チップ３２の熱引き性能の飛躍的な向上を図ることができる。
（ｈ）上記実施形態では、中心電極５の先端部に貴金属部３１が設けられている場合について具体化したが、当該貴金属部３１を省略した構成としてもよい。
（ｉ）上記実施形態では、主体金具３の先端部２６の先端面に、接地電極２７が接合される場合について具体化しているが、主体金具の一部（又は、主体金具に予め溶接してある先端金具の一部）を削り出すようにして接地電極を形成する場合についても適用可能である（例えば、特開２００６－２３６９０６号公報等）。また、主体金具３の先端部２６の側面に接地電極２７を接合することとしてもよい。
（ｊ）上記実施形態では、工具係合部１９は断面六角形状とされているが、工具係合部１９の形状に関しては、このような形状に限定されるものではない。例えば、Ｂｉ－ＨＥＸ（変形１２角）形状〔ＩＳＯ２２９７７：２００５（Ｅ）〕等とされていてもよい。
１…内燃機関用スパークプラグ
２…絶縁碍子（絶縁体）
３…主体金具
４…軸孔
５…中心電極
２６…（主体金具の）先端部
２７…接地電極
２７Ａ…外層
２７Ｂ…内層
２７ｆ…（接地電極の）先端面
２７ｉ…（接地電極の）内周面
３２…貴金属チップ
３２ｆ…（貴金属チップの）先端面
３３…火花放電間隙（間隙）
ＣＬ１…軸線
ＣＬ２…（接地電極の）中心軸
ＣＬ３…（貴金属チップの）中心軸
ＯＡ…重なり領域
ＰＨ…投影面
ＳＬ…直線
Ｃ…最短距離
Ｄ…（接合部分の）長さ
Ｅ…埋没量
２…絶縁碍子（絶縁体）
３…主体金具
４…軸孔
５…中心電極
２６…（主体金具の）先端部
２７…接地電極
２７Ａ…外層
２７Ｂ…内層
２７ｆ…（接地電極の）先端面
２７ｉ…（接地電極の）内周面
３２…貴金属チップ
３２ｆ…（貴金属チップの）先端面
３３…火花放電間隙（間隙）
ＣＬ１…軸線
ＣＬ２…（接地電極の）中心軸
ＣＬ３…（貴金属チップの）中心軸
ＯＡ…重なり領域
ＰＨ…投影面
ＳＬ…直線
Ｃ…最短距離
Ｄ…（接合部分の）長さ
Ｅ…埋没量
Claims (15)
- 軸線方向に延びる棒状の中心電極と、
前記軸線方向に延びる軸孔を有するとともに、前記中心電極が前記軸孔に設けられた略円筒状の絶縁体と、
前記絶縁体の外周に設けられた略円筒状の主体金具と、
前記主体金具の先端部から延び、先端が前記中心電極に向けて曲げられて配置された接地電極と、
前記接地電極の先端部に接合された貴金属チップとを備え、
前記中心電極の先端部及び前記貴金属チップの間に間隙が形成されてなる内燃機関用スパークプラグであって、
前記貴金属チップは、その中心軸が前記接地電極の中心軸に対して前記軸線方向基端側にずれた状態で接合されるとともに、
前記接地電極は、ニッケル合金よりなる外層及び当該外層よりも良熱伝導性素材を含んでなる内層を備え、
前記接地電極の基端よりも前記内層の先端が前記軸線側に位置し、
前記接地電極の中心軸に直交する断面のうち、前記内層の断面積が最大となる断面に、前記接地電極の先端面側から視認した面を前記接地電極の中心軸に沿って投影させてなる投影面について、
前記投影面における前記内層と前記貴金属チップとの重なり領域の占める割合を２５％以上としたことを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。 - 前記投影面における前記内層と前記貴金属チップとの重なり領域の占める割合を２８％以上としたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用スパークプラグ。
- 前記貴金属チップは、その中心軸が前記接地電極の中心軸に対して前記軸線方向基端側に０．１ｍｍ以上ずれた状態で接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用スパークプラグ。
- 前記内層と前記貴金属チップとの最短距離を０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。
- 前記貴金属チップを、前記貴金属チップの先端面が前記接地電極の先端面から突出した状態で前記接地電極のうち前記中心電極側に位置する内周面に接合したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。
- 前記接地電極の中心軸に沿った前記接地電極に対する前記貴金属チップの接合部分の長さを０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関用スパークプラグ。
- 前記貴金属チップの前記接地電極の内周面からの埋没量を０．１ｍｍ以上としたことを特徴とする請求項５又は６に記載の内燃機関用スパークプラグ。
- 前記接地電極のうち前記貴金属チップの接合される部位を平坦状としたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。
- 前記接地電極の内周面に対して切削加工或いはプレス加工を施すことによって前記貴金属チップの接合される部位を平坦状としたことを特徴とする請求項８に記載の内燃機関用スパークプラグ。
- 前記貴金属チップの先端面が、前記中心電極の先端部と対向して配置されており、
前記軸線方向と直交する方向にほぼ沿って火花放電が行われることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。 - 前記貴金属チップの前記軸線方向における端面が、前記中心電極の先端部と対向して配置されており、
前記軸線方向にほぼ沿って火花放電が行われることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。 - 前記貴金属チップの先端面が、前記中心電極よりも先端側に位置する前記軸線と対向して配置されており、
前記軸線方向に対し斜めに火花放電が行われることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグ。 - 前記接地電極の中心軸に直交する断面における、前記接地電極の最大断面積を３．３ｍｍ2以下としたことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。
- 前記内層の幅方向に沿った、前記投影面における前記内層の長さをＡとし、
前記内層の幅方向に沿った、前記投影面における前記内層と前記貴金属チップとの重なり領域の長さをａとしたとき、
０．３５≦ａ／Ａ≦０．６０
を満たすことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。 - 前記内層の幅方向に沿った、前記投影面における前記内層の長さをＡとし、
前記内層の幅方向に直交する方向に沿った、前記投影面における前記内層と前記貴金属チップとの重なり領域の長さをｂとしたとき、
０．０７≦ｂ／Ａ≦０．４０
を満たすことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。
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