JP2004165165A

JP2004165165A - 点火プラグ

Info

Publication number: JP2004165165A
Application number: JP2003383388A
Authority: JP
Inventors: Klaus Hrastnik; フラストニーククラウス
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2004-06-10
Also published as: DE10252736A1; US20040140745A1; DE10252736B4

Abstract

【課題】電極区分と電極ベースボディとの間に極めて僅かな熱機械的な応力しか生じないようにする。
【解決手段】中心電極２１および接地電極の電極区分３１が、銅を含有した合金または白金とロジウムとを含有した合金を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、請求項１および請求項７の上位概念部に記載の形式の点火プラグ、すなわち電極を備えた点火プラグであって、電極の一方の端区分に電極区分が設けられている形式のものに関する。

このような形式の点火プラグは、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１００１５６４２号明細書に記載されている。この点火プラグは中心電極と接地電極とを有しており、両電極の間には、電圧を印加することによって火花ギャップが形成される。電極は電極ベースボディを有しており、この電極ベースボディには、高い耐損耗性の範囲を形成する電極区分が固定されている。電極ベースボディは主としてニッケルから成っていて、銅から成る熱伝導性のコアを有していてよい。前記電極区分は、元素イリジウムおよびニッケルを含有する合金から成っている。前記電極区分はレーザ溶接、抵抗溶接またはろう接によって電極ベースボディに被着される。

このような点火プラグでは、電極ベースボディへの電極区分の被着時、特に溶接による被着時またはエンジン内での使用時に、前記電極区分と電極ベースボディとの間に高い熱機械的な応力が発生するという不都合がある。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００１５６４２号明細書

本発明の課題は、冒頭で述べた形式の点火プラグを改良して、前記電極区分と電極ベースボディとの間に極めて僅かな熱機械的な応力しか生じず、しかも廉価に製造可能となるような点火プラグを提供することである。

この課題を解決するために本発明の第１の構成では、前記電極区分が、銅を含有した合金を有しているようにした。

上記課題を解決するために本発明の第２の構成では、前記電極区分が、白金とロジウムとを含有した合金を有しているようにした。

本発明による点火プラグには、次のような利点がある。すなわち、前記電極区分と電極ベースボディとの間に極めて僅かな熱機械的な応力しか生じないように前記電極区分の材料が選択されており、前記電極区分が特に高い耐摩耗性を有している。さらに、貴金属含量を減少させることによってコスト節約を達成することができる。

請求項２〜請求項６ならびに請求項８以下に記載の手段により、請求項１および請求項７に記載の点火プラグの有利な構成および改良が可能となる。

結合されるべき材料が同程度の熱膨張率および低い弾性率を有していると、熱機械的な応力を最小限に抑えることができる。特許請求の範囲に記載の組成は、電極ベースボディの材料に対する前記電極区分の材料の最適な適合を可能にする。

前記電極区分が、６０〜９９質量％の白金含量と、１〜４０質量％の銅含量とを有している場合または前記電極区分が、３０〜８９質量％の白金含量と、１〜４０質量％の銅含量と、１０〜３０質量％のロジウム含量とを有している場合または前記電極区分が、３０〜９８質量％の白金含量と、１〜４０質量％の銅含量と、１〜３０質量％のイリジウム含量とを有している場合には、特に僅かな熱機械的な応力しか生じなくなる。また、７０〜９５質量％の白金含量と、５〜３０質量％のロジウム含量とを有しているか、または３０〜９４質量％の白金含量と、５〜３０質量％のロジウム含量と、１〜４０質量％のニッケル含量とを有しているか、または３０〜９４質量％の白金含量と、５〜３０質量％のロジウム含量と、１〜４０質量％のイリジウム含量とを有している前記電極区分も特に適している。

前記電極区分が、付加的にイットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、タンタル、タングステン、オスミウム、ルテニウム、金、銀およびパラジウムのグループからの１種の金属または酸化物または数種の金属または酸化物を、それぞれ最大１質量％までの含量で含有していると有利である。この手段により、特に高い温度における前記電極区分の合金の機械的な強度が高められる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

点火プラグの原理的な構造および機能形式は、公知先行技術から十分に知られており、たとえば「Ｂｏｓｃｈ−ｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅｎＵｎｔｅｒｒｉｃｈｔｕｎｇ−Ｚｕｅｎｄｋｅｒｚｅｎ」（ＲｏｂｅｒｔＢｏｓｃｈＧｍｂＨ、１９８５年）から知ることができる。図１（ａ）および（ｂ）には、本発明の第１実施例および第２実施例として、点火プラグ１０の燃焼室側の端部が概略的に側面図で示されている。点火プラグ１０は金属製の管状のハウジング２３を有しており、このハウジング２３は、ほぼ半径方向対称的に形成されている。金属製のハウジング２３の対称軸線に沿って設けられた中心の孔内には、同軸的に延びる絶縁体２４が配置されている。この絶縁体２４の長手方向軸線に沿って設けられた中心の孔内には、燃焼室側の端部で中心電極２１が配置されている。この中心電極２１は第１実施例および第２実施例では、絶縁体２４の燃焼室側の端部で前記孔から突出している。図示していない別の実施例では、中心電極２１が絶縁体２４の孔から突出しないように配置されていてもよい。

中心電極２１の、燃焼室から遠い方の端部では、絶縁体２４に設けられた前記孔内に導電性のガラス溶融体（図示しない）が配置されている。このガラス溶融体は中心電極２１を、同じく絶縁体２４の中心の孔内に配置されている接続ピン（図示しない）に接続している。金属製のハウジング２３の燃焼室側の端部には、少なくともさらに１つの接地電極２２，１２２が配置されている。この接地電極２２，１２２は、まずハウジング２３から出発して、ハウジング２３の対称軸線に対して平行に延び、それからハウジング２３の対称軸線へ向かってほぼ直角に折り曲げられている。前記接続ピンと、導電性のガラス溶融体と、中心電極２１とを介して点火プラグ１０の燃焼室側の端部へ到達する電気的なエネルギにより、火花ギャップ２５に沿って中心電極２１と接地電極２２，１２２との間に火花が発生させられる。この場合、火花は燃焼室内に存在する空気・燃料混合物に点火する。図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）ならびに図４の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）には、中心電極２１の種々の実施例が詳細に図示されている。図３の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）ならびに図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）には、接地電極２２，１２２の種々の実施例が詳細に図示されている。

図１の（ａ）に示した第１実施例と、図１の（ｂ）に示した第２実施例とは、接地電極２２，１２２の設計の点で互いに異なっている。第１実施例では、接地電極２２が「屋根形電極」として形成されており、この場合、接地電極２２は中心電極２１の端面の上方にまで延びて接地電極２２を屋根状に覆っている。火花ギャップ２５は、屋根形電極として形成された接地電極２２の場合にはハウジング２３および絶縁体２４の対称軸線の範囲に位置していて、中心電極２１の端面と接地電極２２の端区分との間に延びている。第２実施例では、接地電極１２２がハウジング２３の対称軸線にまで延びていない。接地電極１２２の、中心電極２１に面した端区分は、中心電極２１の側方に並んで配置されていて、中心電極２１の外周面へ向けられている。したがって、接地電極１２２は中心電極２１の端面を超えて突出していないか、または少しだけしか突出していない。これに相応して、第２実施例の火花ギャップ２５は中心電極２１の側方の外周面と接地電極１２２の端面との間に形成される。

図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）には、中心電極２１の燃焼室側の端部の種々の実施例が横断面図で示されている。これらの実施例は特に第１実施例による点火プラグ１０のために適している。中心電極２１は電極ベースボディ３２を有しており、この電極ベースボディ３２の燃焼室側の端部には電極区分３１が配置されている。この電極区分３１は火花放電による火花浸食および腐食に対する高い耐性によりすぐれているので、点火プラグの長い機能時間が保証されている。電極区分３１はこの場合、火花ギャップ２５の一端を形成しているので、火花は直接に中心電極２１の電極区分３１の範囲で閃絡する。

図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）に示した種々の実施例は、電極ベースボディ３２における電極区分３１の配置の点で互いに異なっている。図２（ａ）に示した実施例では、電極区分３１が電極ベースボディ３２の、燃焼室に面した側の端面を完全に覆っているので、電極区分３１と電極ベースボディ３２とは少なくとも電極区分３１と電極ベースボディ３２との間の移行範囲において同一の直径を有している。図２（ｂ）に示した実施例では、円筒状の電極区分３１が電極ベースボディ３２の端面に真ん中で被着されており、この場合、電極区分３１の直径は電極ベースボディ３２の直径よりも小さく形成されている。図２（ｃ）に示した中心電極２１では、電極区分３１が電極ベースボディ３２の火花ギャップ側の端面を越えて電極ベースボディ３２内に突入している。図２（ｄ）に示した実施例では、電極区分３１が電極ベースボディ３２内に突入しており、この場合、電極区分３１の、火花ギャップに面した側の端面と、電極ベースボディ３２の、火花ギャップに面した側の端面とは同一平面に位置している。

図３の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）には、特に図１（ａ）に示した本発明の実施例のために特に適している接地電極２２の燃焼室側の端区分の種々の実施例が示されている。この接地電極２２は電極ベースボディ４２を有しており、この電極ベースボディ４２の、中心電極２１に面した側には、電極区分４１が設けられている。図３の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示した実施例は、電極ベースボディ４２における電極区分４１の配置の点で互いに異なっている。図３（ａ）に示した実施例では、電極区分４１が電極ベースボディ４２の外部に設けられている。それに対して図３（ｃ）に示した実施例では、電極区分４１が、電極ベースボディ４２に設けられた切欠き内に配置されており、しかも電極ベースボディ４２の輪郭面を越えて突出していない。図３（ｂ）に示した実施例では、電極区分４１が図３（ｃ）の場合と同様に、電極ベースボディ４２に設けられた切欠き内に配置されているが、しかし図３（ｃ）の場合とは異なり電極ベースボディ４２から突出している。

図４の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）には、中心電極２１の燃焼室側の端部の別の２つの実施例が示されている。これらの実施例は、特に第２実施例による点火プラグ１０のために適している。中心電極２１は電極ベースボディ５２を有している。この電極ベースボディ５２には、電極区分５１が配置されており、この電極区分５１は火花浸食および腐食に対する高い耐性を有している。電極区分５１は中空円筒状の形状を有していて、電極ベースボディ５２に設けられた切欠き内に嵌め込まれている。したがって、電極区分５１は中心電極２１の外周面もしくは輪郭面の１区分を形成している。図４の（ａ）および（ｃ）に示した両実施例は次の点で互いに異なっている。すなわち、図４（ａ）に示した実施例では、電極区分５１が中心電極２１の端面にまで到達しており、それに対して図４（ｃ）に示した実施例では、中心電極２１に設けられた、電極区分５１が配置された切欠きが、中心電極２１の端面にまで到達していない。本発明のさらに別の実施例（図示しない）は、図４の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示した実施例とは次の点で異なっている。すなわち、この実施例では、電極区分５１が電極ベースボディ５２の輪郭面を越えて突出しており、これにより電極区分５１の直径は電極ベースボディ５２の直径よりも大きく形成されている。

図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）には、特に図１（ｂ）に示した本発明の実施例のために適している接地電極１２２の別の実施例が示されている。接地電極１２２はやはり電極ベースボディ１３２を有しており、この電極ベースボディ１３２には、火花浸食および腐食に対する高い耐性を有している電極区分１３１が配置されている。図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）に示した実施例は、ジオメトリ的な構成の点では図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）に示した実施例に相当しているので、詳しい説明は省略する。

中心電極２１の電極ベースボディ３２，５２ならびに接地電極２２，１２２の電極ベースボディ４２，１３２は、主としてニッケルまたはニッケル合金から成っていて、たいていは銅コアを有している。この銅コアにより、良好な熱伝導が保証されている。

電極区分３１，４１，５１，１３１は、プレート、ピンまたは平らに押し潰されたボールとして、レーザ溶接によって電極ベースボディ３２，４２，５２，１３２に被着される。電極区分３１，４１，５１，１３１と電極ベースボディ３２，４２，５２，１３２とを結合するためには、拡散溶接または抵抗溶接も適している。電極区分３１，４１，５１，１３１を電極ベースボディ３２，４２，５２，１３２と溶接する場合には、高い温度が発生し、この高い温度に基づき、材料に高い熱機械的な応力（ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｓｃｈ．Ｓｐａｎｎｕｎｇｅｎ）が生ぜしめられる。エンジンにおける使用時でも、最大１０００℃までの高い温度が発生し、この温度は短時間で４００℃にまで冷却し得る。このことは、熱膨張率差および電極区分３１，４１，５１，１３１および電極ベースボディ３２，４２，５２，１３２の材料の弾性率（Ｅモジュール）の絶対値に対して比例する熱機械的な応力を生ぜしめる。

電極区分３１，４１，５１，１３１の材料のための以下に挙げる各構成では、僅かな熱機械的な応力しか生じないように材料組成が選択されている。

電極区分３１，４１，５１，１３１の材料の第１の構成：
白金：９６質量％
銅：４％
電極区分３１，４１，５１，１３１の材料の第２の構成：
白金：８０質量％
銅：１０質量％
ロジウム：１０質量％
電極区分３１，４１，５１，１３１の材料の第３の構成：
白金：７０質量％
銅：１０質量％
イリジウム：２０質量％
電極区分３１，４１，５１，１３１の材料の第４の構成：
白金８５質量％
ロジウム１５質量％
電極区分３１，４１，５１，１３１の材料の第５の構成：
白金：６５質量％
ロジウム：１５質量％
イリジウム：２０質量％
電極区分３１，４１，５１，１３１の材料の第６の構成：
白金：６５質量％
ロジウム：１５質量％
ニッケル２０質量％。

図６には、白金（Ｐｔ）から成る電極区分３１，４１，５１，１３１と、９６質量％の白金含量と４質量％の銅含量とから成る（Ｐｔ＋Ｃｕ）電極区分３１，４１，５１，１３１とに関して、摩耗体積Ｖ（ｍｍ^３）が運転時間ｔ（時間）の関数として描かれている。図６の線図から判るように、第１の構成（Ｐｔ＋Ｃｕ）の組成を有する電極区分３１，４１，５１，１３１は、純粋な白金から成る電極区分３１，４１，５１，１３１よりも著しく少ない摩耗を示している。

電極区分３１，４１，５１，１３１は上で挙げた材料に対して付加的に、イットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、タンタル、タングステン、オスミウム、ルテニウム、金、銀およびパラジウムのグループからの１種の金属または酸化物または数種の金属または酸化物を、それぞれ最大１質量％までの含量で含有していてよい。

本発明による点火プラグの燃焼室側の区分の第１実施例（ａ）および第２実施例（ｂ）を示す側面図である。

本発明による点火プラグの中心電極の燃焼室側の端部を種々の実施例（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）で示す横断面図である。

本発明による点火プラグの接地電極の燃焼室側の端部を種々の実施例（ａ、ｂ、ｃ）で示す横断面図である。

本発明による点火プラグの中心電極の燃焼室側の端部のさらに別の実施例（ａ、ｂ、ｃ）を示す横断面図である。

本発明による点火プラグの接地電極の燃焼室側の端部のさらに別の実施例（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）を示す横断面図である。

互いに異なる組成を有する２つの中心電極について、点火プラグの摩耗体積Ｖを運転時間ｔの関数として示す線図である。

符号の説明

１０点火プラグ
２１中心電極
２２接地電極
２３ハウジング
２４絶縁体
２５火花ギャップ
３１電極区分
３２電極ベースボディ
４１電極区分
４２電極ベースボディ
５１電極区分
５２電極ベースボディ
１３１電極区分
１３２電極ベースボディ

Claims

電極（２１，２２，１２２）を備えた点火プラグ（１０）であって、電極の一方の端区分に電極区分（３１，４１，５１，１３１）が設けられている形式のものにおいて、前記電極区分（３１，４１，５１，１３１）が、銅を含有した合金を有していることを特徴とする点火プラグ。
前記電極区分（３１，４１，５１，１３１）の合金が白金を含有している、請求項１記載の点火プラグ。
前記電極区分（３１，４１，５１，１３１）が、６０〜９９質量％の白金含量と、１〜４０質量％の銅含量とを有している、請求項１または２記載の点火プラグ。
前記電極区分（３１，４１，５１，１３１）がロジウムおよび／またはイリジウムを含有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の点火プラグ。
前記電極区分（３１，４１，５１，１３１）が、３０〜８９質量％の白金含量と、１〜４０質量％の銅含量と、１０〜３０質量％のロジウム含量とを有している、請求項４記載の点火プラグ。
前記電極区分（３１，４１，５１，１３１）が、３０〜９８質量％の白金含量と、１〜４０質量％の銅含量と、１〜３０質量％のイリジウム含量とを有している、請求項４記載の点火プラグ。
電極（２１，２２，１２２）を備えた点火プラグ（１０）であって、電極の一方の端区分に電極区分（３１，４１，５１，１３１）が設けられている形式のものにおいて、前記電極区分（３１，４１，５１，１３１）が、白金とロジウムとを含有した合金を有していることを特徴とする点火プラグ。
前記電極区分（３１，４１，５１，１３１）が、７０〜９５質量％の白金含量と、５〜３０質量％のロジウム含量とを有している、請求項７記載の点火プラグ。
前記電極区分（３１，４１，５１，１３１）がイリジウムおよび／またはニッケルを含有している、請求項７記載の点火プラグ。
前記電極区分（３１，４１，５１，１３１）が、３０〜９４質量％の白金含量と、５〜３０質量％のロジウム含量と、１〜４０質量％のイリジウム含量とを有している、請求項９記載の点火プラグ。
前記電極区分（３１，４１，５１，１３１）が、３０〜９４質量％の白金含量と、５〜３０質量％のロジウム含量と、１〜４０質量％のニッケル含量とを有している、請求項９記載の点火プラグ。
前記電極区分（３１，４１，５１，１３１）が、付加的にイットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、タンタル、タングステン、オスミウム、ルテニウム、金、銀およびパラジウムのグループからの１種の金属または酸化物または数種の金属または酸化物を、それぞれ最大１質量％までの含量で含有している、請求項１から１１までのいずれか１項記載の点火プラグ。
当該点火プラグ（１０）が、第１の電極（２１）と第２の電極（２２，１２２）とを有しており、第１の電極（２１）と第２の電極（２２，１２２）との間に、電圧の印加によって火花ギャップ（２５）に沿って火花が発生するようになっており、該火花ギャップ（２５）が電極（２１，２２，１２２）の前記電極区分（３１，４１，５１，１３１）に通じている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の点火プラグ。
前記電極区分（３１，４１，５１，１３１）が、溶接、特にレーザ溶接によって電極ベースボディ（３２，４２，５２，１３２）に被着されており、該電極ベースボディ（３２，４２，５２，１３２）が主としてニッケルから成っていて、銅コアを有している、請求項１から１３までのいずれか１項記載の点火プラグ。
前記電極（２１）が中心電極であり、該中心電極が所定の範囲で絶縁体（２４）によって当該点火プラグ（１０）のハウジング（２３）から絶縁されており、当該点火プラグ（１０）が少なくとも１つの接地電極（２２，１２２）を有しており、該接地電極（２２，１２２）が当該点火プラグ（１０）のハウジング（２３）に位置固定されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の点火プラグ。