JP4696981B2 - 内燃機関用のスパークプラグ - Google Patents
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Description
該スパークプラグは、中心電極と接地電極とを有し、その間に火花放電ギャップを設けている。この火花放電ギャップにおける火花放電によって、混合気体に着火する。
ここで、Ir合金チップと中心電極母材(Ni合金等)とは、熱膨張係数の差が大きい。そのため、熱応力によるチップの脱落を防止するため、レーザ溶接により、Ir合金チップと中心電極母材の略中間の熱膨張係数を有する溶融層を形成している。これにより、熱応力を低減させることで、中心電極母材とIr合金チップとの接合性を確保している。
また、特許文献1は、上記を満足する棒状Ir合金チップの断面形状として六角形以上の多角形が好ましいことを開示している。
かかる四角形断面のIr合金チップを中心電極母材に溶接する場合、通常は、図29〜図31に示すごとく、Ir合金チップ92の四角形に対する外接円の若干外側に、中心電極母材91の外形円が配される状態で溶接する。この場合、溶接面における中心電極母材91の側端部からIr合金チップ92の側端部までの距離に差ができるため、レーザ溶接後の溶融層95(図32)の熱膨張係数にむらが生じる。
以上のように、熱応力の低減が十分でなく、良好な接合性確保ができなかった。
従って、急熱急冷が頻繁に繰り返される環境下においては、図32に示すように、接合部で剥離や割れ97等が発生してしまうおそれがあるという問題がある。
そのため、中心電極母材を絶縁碍子に組み込んだ後からしか、貴金属チップを溶接できないため、生産性の点で不利となるという問題がある。また、溶接部位を、絶縁碍子から先端側に突出した位置としなければならず、溶接部位と碍子先端との位置関係が限定されてしまう問題点がある。
上記中心電極は、略円柱形状の中心電極母材の先端面に、略四角柱形状のIr合金チップを接合してなり、
上記中心電極母材の母材先端部は、母材本体部の直径D1よりも小さい直径D2を有する円柱形状を有しており、
上記Ir合金チップにおける軸方向に直交する断面形状である略四角形の対角線のうち、長い方の対角線の長さを直径とする外接円CAを想定すると共にその直径をAとし、上記外接円CAと略同一の中心を有すると共に上記略四角形の少なくとも対向する2辺に内接する最小の内接円CBを想定し、その直径をBとしたとき、上記4つの直径A、B、D1、D2が、D1>A>D2>Bの関係を有することを特徴とする内燃機関用のスパークプラグにある(請求項1)。
上記中心電極母材の母材本体部の直径D1、母材先端部の直径D2、上記Ir合金チップの上記外接円CAの直径A、及び上記内接円CBの直径Bは、D1>A>D2>Bの関係を有する。これにより、中心電極母材とIr合金チップとの接合性を確保すると共に、スパークプラグの生産性を確保することができる。
従って、急熱急冷が頻繁に繰り返される使用環境下においても、接合部における剥離や割れ等を防ぎ、中心電極母材とIr合金チップとの接合性を確保することができる。
また、上記中心電極母材は、例えば、Ni合金等によって構成することができる。
なお、本明細書においては、スパークプラグを燃焼室等へ挿入する側を先端側、その反対側を基端側として適宜説明する。
この場合には、上記角部への熱応力の集中を防ぐことができ、Ir合金チップと中心電極母材との接合性を確保することができると共に、接地電極に対するIr合金チップの対向面積を充分に確保して、スパークプラグの長寿命化を図ることができる。
上記直線部の長さLと上記Ir合金チップの幅Wとが、0.8×W>Lの場合には、接地電極に対するIr合金チップの対向面積が小さくなり、スパークプラグの長寿命化が困難となるおそれがある。
この場合には、Ir合金チップにおける上記直線部において火花放電を行いやすくすることができるため、Ir合金チップの長寿命化を図ることができる。
上記貴金属チップは、例えば、Ir合金、Pt合金等によって構成することができる。
この場合には、中心電極のIr合金チップと、接地電極の貴金属チップとを充分な面積において対向させることができるため、Ir合金チップの長寿命化を図ることができる。
この場合には、上記接地電極の上記貴金属チップと上記Ir合金チップとの対向面積の減少を防ぎ、Ir合金チップの長寿命化を図ることができる。
奥行きが0.3mmを超える場合には、上記接地電極の貴金属チップの対向面に、Ir合金チップの上記曲線部が対向して配置されたとき、Ir合金チップの対向面が早期に消耗して、寿命が短くなってしまうおそれがある。即ち、火花放電ギャップの拡大が0.3mmを超えると、失火が生じやすくなるが、上記奥行きが0.3mmを超えると、Ir合金チップにおける上記曲線部と接地電極の貴金属チップとの間において、火花放電ギャップが早期に0.3mmを超える部分の範囲が大きくなり、適正な対向面積が早期に減少しやすくなるおそれがある。
この場合には、Ir合金チップと中心電極母材との位置合せが容易となり、Ir合金チップを中心電極母材に接合してなる中心電極を、絶縁碍子へ挿通することが容易となる。その結果、生産性に優れたスパークプラグを得ることができる。
この場合には、Ir合金チップの角部に設けた曲線部が、中心電極母材の母材先端部の内側に配されても、上記仮想の外接円CCが、母材本体部の外形と母材先端部の外形との間に配されることとなる。これにより、上記請求項1において述べた作用効果を奏することができ、中心電極母材とIr合金チップとの接合性を確保することができる。
この場合には、中心電極母材とIr合金チップとの接合性を確保すると共に、Ir合金チップの寿命を確保することができる。
0.5×D1>D2の場合には、Ir合金チップの熱を母材先端部を通じて中心電極の基端側へ逃がすことが困難となり、Ir合金チップの寿命が低下するおそれがある。一方、D2>0.95×D1の場合には、本発明(請求項1)における「D1>A>D2>B」の関係を満たしつつ、母材先端部の直径D2とIr合金チップの外接円CAの直径Aとの差と、母材先端部の直径D2とIr合金チップの内接円CBの直径Bとの差を、略同等にすることが困難となる。そのため、中心電極母材とIr合金チップとの接合性を向上させることが困難となるおそれがある。
この場合には、中心電極母材とIr合金チップとの接合性を確保すると共に、Ir合金チップの寿命を確保することが、一層容易となる。
この場合には、本発明の効果を充分に発揮することができる。
即ち、一般的に、中心電極母材の直径が2.5mm以上である場合に、中心電極母材とIr合金チップとの接合性が低下しやすい。そこで、かかるスパークプラグに本発明を適用することにより、本発明の効果を充分に発揮することができる。
この場合には、未溶融部に大きな熱応力が集中することを防ぎ、中心電極母材とIr合金チップとの接合性を確保することができる。
この場合には、上記孔先端部と上記溶融層との間に充分な空隙を設けることができるため、孔先端部に燃料ガスの残留物等が堆積した場合にも、この残留物等による絶縁碍子への影響を抑制することができる。
そこで、上記孔先端部と上記溶融層との距離を0.1mm以上とすることにより、絶縁碍子の破損を防止することができる。
この場合には、上記溶融層の温度上昇を低減することができ、溶融層における過大な熱応力の発生を防ぐことができる。
また、かかる構成において、上記孔先端部と上記溶融層との間の距離を上記孔先端部の全周にわたって0.1mm以上(請求項12)とすることにより、効果的に、絶縁碍子の損傷を防ぐことができる。
本発明の実施例にかかる内燃機関用のスパークプラグにつき、図1〜図14を用いて説明する。
本例のスパークプラグ1は、図2、図3に示すごとく、外周に取付け用ネジ部42を設けた取付金具4と、該取付金具4の中心軸側に保持される絶縁碍子2と、該絶縁碍子2の中心軸側に保持される中心電極3と、取付金具4に取付けられると共に中心電極3の先端部との間に火花放電ギャップ11を形成する接地電極5とを備える。
図1、図6に示すごとく、中心電極母材31の母材先端部312は、母材本体部311の直径D1よりも小さい直径D2を有する円柱形状を有している。
即ち、図1に示すごとく、Ir合金チップ32における軸方向に直交する断面形状である略四角形の対角線のうち、長い方の対角線の長さを直径とする外接円CAを想定すると共にその直径をAとする。また、上記外接円CAと略同一の中心を有すると共に上記略四角形の少なくとも対向する2辺に内接する最小の内接円CBを想定し、その直径をBとする。このとき、上記4つの直径A、B、D1、D2が、D1>A>D2>Bの関係を有する。なお、本例においては、2本の上記対角線は同じ長さであり、上記略四角形の4つの角部に外接円CAが接する。また、内接円CBは上記略四角形の4辺に内接する。
スパークプラグ1は、導電性の鉄鋼材料(例えば低炭素鋼等)等よりなる筒形状の取付金具(ハウジング)4を有している。取付金具4の内部には、アルミナセラミック(Al2O3)等からなる絶縁碍子2が固定されている。
本例においては、接地電極5を複数設けて火花放電ギャップ11を複数設けてあるが、接地電極5及び火花放電ギャップ11は、1個だけ設けることもできるし、側面ではなく、図15に示すごとく、従来の接地電極形状と同じく、中心電極3の先端側に配置してもよい。
なお、各接地電極5のIr合金チップ52は、円柱状とすることもできる。
即ち、Ir合金チップ32の接合は、あらかじめIr合金チップ32と中心電極母材31の先端部とを抵抗溶接等により一体化させた後、図12、図13に示すように中心電極母材31の軸周りに回転させながらIr合金チップ32の全周にパルスレーザPLを16点均等間隔で照射することにより行う。溶接後の外観を示したのが図14である。
また、接地電極母材51とIr合金チップ52とも、同様にレーザ溶接により形成された溶融層(図示略)を介して接合されている。
なお、この形状は、略正方形以外にも、図10に示すごとく略長方形とすることもできるし、図11に示すごとく略菱形とすることもできる。また、その他の四角形であってもよい。そして、図10に示すごとく、長方形等の場合には、互いの距離が短い方の対向する二辺に内接する円が、上述した内接円CBとなる。また、正方形、長方形以外の場合には、図11に示すごとく、対角線の長い方を直径とする外接円が、上述した外接円CAとなる。
また、中心電極母材31の母材本体部311の直径D1は、2.5mm以上である。
また、中心電極母材31とIr合金チップ32との接合部に形成された溶融層35の内側における未溶融部36の幅F(図7)と、上記外接円CAの直径A(図1)とは、F≦0.2×Aの関係を有する。
また、溶融層35における孔先端部221に近い側の端部359は、中心貫通孔22の内部に存在する。
図1に示すごとく、上記中心電極母材31の母材本体部311の直径D1、母材先端部312の直径D2、上記Ir合金チップ32の上記外接円CAの直径A、及び上記内接円CBの直径Bは、D1>A>D2>Bの関係を有する。これにより、中心電極母材31とIr合金チップ32との接合性を確保すると共に、スパークプラグ1の生産性を確保することができる。
従って、急熱急冷が頻繁に繰り返される環境下においても、接合部における剥離や割れ等を防ぎ、中心電極母材31とIr合金チップ32との接合性を確保することができる。
また、かかる構成において、孔先端部221と溶融層35との間の距離Hを孔先端部221の全周にわたって0.1mm以上とすることにより、効果的に、絶縁碍子2の損傷を防ぐことができる。
本例は、図16〜図20に示すごとく、中心電極3に設けたIr合金チップ32の軸方向に直交する断面形状として、略四角形の角部に曲線部321を設けた形状としたスパークプラグ1の例である。
即ち、Ir合金チップ32の断面形状である略四角形は、角部に形成した曲線部321と該曲線部321同士を結ぶ直線部322とからなる輪郭を有する。
なお、図18に示すごとく、Ir合金チップ32の断面形状である略四角形が略長方形である場合にも、同様に外接円CAと、その直径Aが決まり、上記関係式を満たす。
また、接地電極5に配設されたIr合金チップ52における、中心電極3のIr合金チップ32の側面に対向する対向面の幅Mと、上記直線部322の長さLとは、M<Lの関係を有する。
そして、上記曲線部321は、接地電極5のIr合金チップ52との対向方向についての奥行きJが0.3mm以下である。
その他は、実施例1と同様である。
Ir合金チップ32の断面形状として、略四角形の角部に曲線部321を設けた形状としたことにより、上記角部への熱応力の集中を防ぐことができ、Ir合金チップ32と中心電極母材31との接合性を確保することができる。
また、上記直線部322の長さLとIr合金チップ32の幅Wとは、0.8×W≦L<Wの関係を有する。これにより、接地電極5に対するIr合金チップ32の対向面積を充分に確保して、スパークプラグ1の長寿命化を図ることができる。
即ち、仮に奥行きJが0.3mmを超える場合には、例えば図19に示すように、接地電極5のIr合金チップ52の対向面に、中心電極3のIr合金チップ32の曲線部321が対向して配置されたとき、Ir合金チップ32の対向面が早期に消耗して、寿命が短くなってしまうおそれがある。即ち、火花放電ギャップ11の拡大が0.3mmを超えると、失火が生じやすくなるが、上記奥行きJが0.3mmを超えると、中心電極3のIr合金チップ32における曲線部321と接地電極5のIr合金チップ52との間において火花放電ギャップ11が早期に0.3mmを超える部分の範囲が大きくなり、適正な対向面積が早期に減少しやすくなるおそれがある。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
本例は、図21に示すごとく、Ir合金チップ32の断面形状である略四角形の曲線部321が、中心電極母材31の母材先端部312の外形上又はその内側に配される場合の例である。
かかる場合においても、以下の条件を満たすように、Ir合金チップ32と中心電極母材31との寸法関係、形状等を規定することにより、実施例1と同等の作用効果を得ることができる。
即ち、図21に示すごとく、例え、D2≧Eであったとしても、D1>C>D2を満たしていればよい。
その他は、実施例2と同様である。
その他、実施例2と同様の作用効果を有する。
本例は、図22〜図24に示すごとく、母材先端部312の直径D2が異なる3種類の中心電極母材31に対して、Ir合金チップ32をレーザ溶接したときの溶融層35の形成状態を比較した例である。母材本体部311の直径D1は、いずれも2.9mmである。また、Ir合金チップ32の断面形状は、2.7mm四方の正方形である。
図22〜図24の各図において、(A)には中心電極母材31とIr合金チップ32を先端側から見た図が表されており、(B)には上記(A)のK−K線断面の模式図が表され、(C)には上記(A)のN−N線断面図が表されている。
一方、図24に示すごとく、D2=2.9mmの場合には、未溶融部36が大きく形成された。
本例は、図25〜図27に示すごとく、母材先端部312の直径D2の適正値につき、接合性の観点から考察した例である。
なお、本例において用いた中心電極母材31の母材本体部311の直径D1は、3.0mmである。
また、図26に、直径D2と、K−K断面における溶け込み深さRk、N−N断面における溶け込み深さRnとの関係を示す。溶け込み深さRk、Rnは、図24に示す寸法である。
また、図27に、中心電極母材31であるインコネル(Ni合金)とイリジウム(Ir)の比率による線膨張係数の変化を示した。Ir比率が65重量%近傍で、インコネルとイリジウムのほぼ中間の線膨張係数となる。
また、図26から分かるように、D1=D2=3.0mmの場合には、溶け込み深さRk、RnがD1、D2に対して小さく、未溶融部36が大きく存在する(図24)。
また、D2=2.7mmとすると、Ir比率が50%を超え(図25)、未溶融部もごくわずかとなったため(図23)、剥離率が25%を下回った(図28)。
そして、D2が2.4mm以下では、Ir比率が65%近傍で安定し(図25)、図22に示すごとく、溶融層35は中央で重なり合い全く未溶融部が存在しない状態となっており、剥離率が15%を下回り(図28)、良好な溶接が得られていることが確認できた。
11 火花放電ギャップ
2 絶縁碍子
3 中心電極
31 中心電極母材
311 母材本体部
312 母材先端部
32 Ir合金チップ
35 溶融層
4 取付金具
42 取付け用ネジ部
5 接地電極
Claims (13)
- 外周に取付け用ネジ部を設けた取付金具と、該取付金具の中心軸側に保持される絶縁碍子と、該絶縁碍子の中心軸側に保持される中心電極と、上記取付金具に取付けられると共に上記中心電極の先端部との間に火花放電ギャップを形成する接地電極とを備えた内燃機関用のスパークプラグであって、
上記中心電極は、略円柱形状の中心電極母材の先端面に、略四角柱形状のIr合金チップを接合してなり、
上記中心電極母材の母材先端部は、母材本体部の直径D1よりも小さい直径D2を有する円柱形状を有しており、
上記Ir合金チップにおける軸方向に直交する断面形状である略四角形の対角線のうち、長い方の対角線の長さを直径とする外接円CAを想定すると共にその直径をAとし、上記外接円CAと略同一の中心を有すると共に上記略四角形の少なくとも対向する2辺に内接する最小の内接円CBを想定し、その直径をBとしたとき、上記4つの直径A、B、D1、D2が、D1>A>D2>Bの関係を有することを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。 - 請求項1において、上記Ir合金チップの断面形状である略四角形は、角部に形成した曲線部と該曲線部同士を結ぶ直線部とからなる輪郭を有し、上記直線部の長さLと上記Ir合金チップの幅Wとは、0.8×W≦L<Wの関係を有することを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
- 請求項2において、上記接地電極は、上記Ir合金チップの側面との間に上記火花放電ギャップを形成するよう配設された貴金属チップを有しており、上記貴金属チップにおける、上記Ir合金チップの側面に対向する対向面の幅Mと、上記直線部の長さLとは、M<Lの関係を有することを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
- 請求項3において、上記Ir合金チップの側面に対向する上記貴金属チップの対向面は、上記Ir合金チップの側面からはみ出ないように配されていることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
- 請求項3又は4において、上記曲線部は、上記接地電極の上記貴金属チップとの対向方向についての奥行きが0.3mm以下であることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
- 請求項1〜5のいずれか一項において、上記Ir合金チップの断面形状である略四角形は、略正方形又は略長方形であることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
- 請求項1〜6のいずれか一項において、上記Ir合金チップの断面形状である略四角形は、角部に形成した曲線部と該曲線部同士を結ぶ直線部とからなる輪郭を有し、上記略四角形の対角線のうち長い方の対角線長さEと、4つの上記直線部の延長線によって形成される四角形を想定し、この四角形の対角線のうちの長い方の対角線を直径とする仮想の外接円CCを想定すると共にその直径をCとしたとき、D1>C>D2≧Eの関係を有することを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
- 請求項1〜7のいずれか一項において、上記母材本体部の直径D1と上記母材先端部の直径D2とは、0.5×D1≦D2≦0.95×D1の関係を有することを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
- 請求項1〜7のいずれか一項において、上記母材本体部の直径D1と母材先端部の直径D2とは、0.7×D1≦D2≦0.9×D1の関係を有することを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
- 請求項1〜9のいずれか一項において、上記中心電極母材の母材本体部の直径D1は、2.5mm以上であることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
- 請求項1〜10のいずれか一項において、上記中心電極母材と上記Ir合金チップとの接合部に形成された溶融層の内側における未溶融部の幅Fと、上記外接円CAの直径Aとは、F≦0.2×Aの関係を有することを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
- 請求項1〜11のいずれか一項において、上記絶縁碍子の中心貫通孔の孔先端部と、上記中心電極母材と上記Ir合金チップとの接合部に形成された溶融層との間の距離は、上記孔先端部の全周にわたって0.1mm以上であることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
- 請求項12において、上記溶融層における上記孔先端部に近い側の端部は、上記中心貫通孔の内部に存在することを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
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