JP2021150199A

JP2021150199A - スパークプラグ

Info

Publication number: JP2021150199A
Application number: JP2020049615A
Authority: JP
Inventors: 祐也阿部; Yuya Abe
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2021-09-27

Abstract

【課題】製造負荷を高くせずにノイズ抑制と負荷寿命の確保とを図ることが可能なスパークプラグを提供する。【解決手段】スパークプラグ１は、中心電極３と端子金具６との間に抵抗体５を有する。抵抗体５は、ガラス５１と、ジルコニア５２と、カーボン５３とを含む。抵抗体５は、カーボンの含有率が１質量％以上３質量％以下であり、カーボンに対するジルコニアの質量比が８以上１６未満である。【選択図】図２

Description

本発明は、スパークプラグに関する。

スパークプラグは、自動車のエンジン等の内燃機関における点火手段として用いられる。スパークプラグは、中心電極と端子金具との間に抵抗体を有している。抵抗体としては、ガラスと、ジルコニアと、導電材としてのカーボンとを含む抵抗体が公知である。

なお、先行する特許文献１には、抵抗体のうち軸線方向における中心電極後端と端子電極先端との間の中点よりも先端側に位置する先端側部位において、カーボンの含有量が１．５質量％以上４．０質量％以下とされるとともに、抵抗体の抵抗値が１．０ｋΩ以上３．０ｋΩ以下であり、抵抗体のうち軸線方向における中心電極後端と端子電極先端との間の中点よりも後端側に位置する後端側部位の抵抗値よりも、先端側部位の抵抗値が小さいスパークプラグが提案されている。

特許第５７９５１２９号公報

これまでスパークプラグの分野では、抵抗体の抵抗値は、ノイズ抑制などの観点から３ｋΩ超５ｋΩ以下が一般的であった。しかしながら、上記のような比較的高い抵抗値では電流が流れ難い。近年では、着火性の向上を図るため、抵抗体の抵抗値を比較的小さくすることが望まれている。抵抗体の低抵抗化を図る手法としては、導電材であるカーボン量を増加する方法がある。ところが、低抵抗化された抵抗体を用いたスパークプラグでは、火花放電の発生時に抵抗体を流れる電流が大きくなるため、抵抗体に形成された導電経路が高温となりやすい。その結果、通電によるジュール発熱によってカーボンが消失し、抵抗体の抵抗値が急激に増大するおそれがある。そのため、抵抗値が比較的小さなスパークプラグでは、ノイズ抑制を図りつつ負荷寿命を確保することが難しい。

なお、特許文献１のスパークプラグは、抵抗体を、小抵抗層と大抵抗層との二層構成としている。そのため、特許文献１のスパークプラグは、２つの異なる材料を用いて抵抗体を作製しなければならず、スパークプラグの製造負荷が高くなることが懸念される。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、製造負荷を高くせずにノイズ抑制と負荷寿命の確保とを図ることが可能なスパークプラグを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、中心電極（３）と端子金具（６）との間に抵抗体（５）を有するスパークプラグ（１）であって、
上記抵抗体は、ガラス（５１）と、ジルコニア（５２）と、カーボン（５３）とを含み、
上記カーボンの含有率が１質量％以上３質量％以下であり、
上記カーボンに対する上記ジルコニアの質量比が８以上１６未満である、
スパークプラグ（１）にある。

上記スパークプラグは、上記特定の抵抗体を有する。そのため、上記スパークプラグは、ノイズ抑制と負荷寿命の確保とを図ることができる。また、上記特定の抵抗体は、カーボンとジルコニアとの質量比を調整した単一材料より作製することができるので、スパークプラグの製造負荷を高くせずに済む。よって、上記スパークプラグによれば、製造負荷を高くせずにノイズ抑制と負荷寿命の確保とを図ることができる。

なお、特許請求の範囲および課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図１は、実施形態１におけるスパークプラグの全体構造を示した縦断面図である。図２は、実施形態１におけるスパークプラグの抵抗体の微構造の一部を模式的に示した説明図である。図３は、実験例における試験体についての電雑評価方法を示した説明図である。

（実施形態１）
実施形態１のスパークプラグ１について、図１、図２を用いて説明する。図１に例示されるように、本実施形態のスパークプラグ１は、中心電極３と端子金具６との間に抵抗体５を有している。以下、これを詳説する。

スパークプラグ１において、抵抗体５は、図２に例示されるように、ガラス５１と、ジルコニア５２と、カーボン５３と、を含んでいる。なお、図２では、抵抗体５は、具体的には、複数のガラス粒子５１１と、ガラス粒子５１１間の隙間を埋める混合物５４とを有している。複数のガラス粒子５１１は、骨材として機能するものであり、網目構造を形成している。混合物５４は、ジルコニア粒子５２１と、カーボン粒子５３１と、溶けて固まったガラス５１２とを含んでいる。

ジルコニア５２としては、例えば、ＺｒＯ_２、安定化ジルコニアなどを例示することができる。これらは１種または２種以上併用されていてもよい。「安定化ジルコニア」の語は、安定化剤によって結晶構造が安定化された狭義の安定化ジルコニアのみならず、安定化部分と不安定な部分とが混在する部分安定化ジルコニアをも含む概念として用いる。ガラスとしては、例えば、ホウケイ酸ガラスなどを例示することができる。

ここで、抵抗体５は、カーボン５３の含有率（以下、「カーボン含有率」ということがある。）が１質量％以上３質量％以下とされ、カーボン５３に対するジルコニア５２の質量比（以下、「ＺｒＯ_２／Ｃ比」ということがある。）が８以上１６未満とされる。

抵抗体５において、カーボン含有率が１質量％未満になると、スパークプラグ１の低抵抗化が難しくなる。また、カーボン含有率が３質量％超になると、カーボン５３の凝集が生じやすくなる。カーボン含有率は、好ましくは、１質量％超、より好ましくは、１．２質量％以上、さらに好ましくは、１．５質量％以上とすることができる。なお、カーボン含有率は、負荷寿命などの観点から、好ましくは、２．５質量％以下とすることができる。

抵抗体５において、ＺｒＯ_２／Ｃ比が８より小さくなると、負荷寿命が低下する。これは、カーボン５３の分散性が低下し、カーボン５３が凝集した部分等において局所的な発熱が生じ、ジルコニア５２を介したカーボン５３と酸素の化学反応が進行してカーボン５３が消失することによって、抵抗体５の抵抗値が急激に増大するためであると考えられる。ＺｒＯ_２／Ｃ比は、上記化学反応の反応性抑制、負荷寿命向上などの観点から、好ましくは、８超、より好ましくは、８．５以上、さらに好ましくは、９以上とすることができる。

また、ＺｒＯ_２／Ｃ比が１６以上になると、相対的にカーボン５３が少なくなり絶縁体であるジルコニア５２が多くなり、ノイズ抑制を図り難くなる。ＺｒＯ_２／Ｃ比は、負荷寿命、プラグ標準サイズ内での抵抗調整のしやすさなどの観点から、好ましくは、１５以下、より好ましくは、１４以下、さらに好ましくは、１３以下とすることができる。

抵抗体５は、カーボン含有率が１質量％以上３質量％以下とされ、ＺｒＯ_２／Ｃ比が９以上１３以下とされることが好ましい。この構成によれば、負荷寿命の向上を図りやすくなる。

なお、カーボン含有率（質量％）、ＺｒＯ_２／Ｃ比（カーボンに対するジルコニアの質量比）は、スパークプラグ１の軸方向Ｄに沿って２等分した抵抗体５の断面について、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Electron Probe Micro Analyzer）を用いて測定することができる。なお、ＺｒＯ_２／Ｃ比は、ジルコニア含有率（質量％）およびカーボン含有率（質量％）を測定し、ジルコニア含有率（質量％）をカーボン含有率（質量％）で除すことにより算出することできる。また、電子線マイクロアナライザによる測定条件は、ＡＣＣ．Ｖ（加速電圧）：１５ｋＶ、ビーム電流５０ｎＡ、測定エリア：１．０ｍｍ×１．０ｍｍとする。

抵抗体５の抵抗値（電気抵抗値）は、０．５ｋΩ以上３ｋΩ以下とすることができる。この構成によれば、ノイズ抑制と負荷寿命の確保とを図りやすくなる。

スパークプラグ１は、中心電極３と端子金具６との間に、上述した抵抗体５を有しておれば、その他の各部位の構成については公知の構成を適宜適用することができる。以下、スパークプラグ１の全体構成の一例を示すが、これに限定されるものではない。

図１に例示されるスパークプラグ１は長尺状である。スパークプラグ１は内燃機関用である。内燃機関は、例えば自動車用のエンジンであり、スパークプラグ１は、後述の取付金具１１によって、図示しないエンジン燃焼室に臨むシリンダヘッドの取付孔に取り付けられる。

なお、スパークプラグ１の軸方向Ｄにおける燃焼室内に突出する側を先端側Ｄ１といい、その反対側を基端側Ｄ２という。つまり、図１における下側が先端側Ｄ１であり、上側が基端側Ｄ２である。

スパークプラグ１は、取付金具１１と、絶縁碍子２と、中心電極３と、導電性ガラスシール部４、４８と、上述した抵抗体５と、端子金具６と、接地電極７とを具備する。導電性ガラスシール部４、４８には、中心電極３の基端側Ｄ２と抵抗体５の先端側Ｄ１との間に設けられた第１導電性ガラスシール部４と、抵抗体５の基端側Ｄ２と端子金具６の先端側Ｄ１との間に設けられた第２導電性ガラスシール部４８とがある。

筒状の取付金具１１は内側に絶縁碍子２を保持している。絶縁碍子２は、軸孔２１０内の先端側Ｄ１に中心電極３を保持し、軸孔２１０内の基端側に端子金具６の軸部６１を保持する。第１導電性ガラスシール部４は、中心電極３の基端側Ｄ２を絶縁碍子２の軸孔２１０内に固定している。第２導電性ガラスシール部４８は、端子金具６の先端側Ｄ１を絶縁碍子２の軸孔２１０内に固定している。

接地電極７は、絶縁碍子２の軸孔２１０の先端側Ｄ１において中心電極３と対向する。抵抗体５は、絶縁碍子２の軸孔２１０内において中心電極３と端子金具６との間に配置される。スパークプラグ１においては、絶縁碍子２と中心電極３とが同軸配置されている。以下、スパークプラグ１を構成する各部を詳説する。

取付金具１１は、筒状であり、絶縁碍子２を内側に保持する。取付金具１１は、軸方向Ｄの先端側Ｄ１の外周に取付用ネジ部１２を有し、基端側Ｄ２に、取付用ネジ部１２より外径が大きい大径部１３を有している。

取付金具１１の大径部１３の内側には、絶縁碍子２の中間部に設けた大径部２２が収容保持され、大径部２２の基端縁部２４を加締め固定して気密シールしている。取付金具１１は、例えば、炭素鋼等の鉄系合金材料からなる。

絶縁碍子２は筒状の取付金具１１の内側に保持される。絶縁碍子２は軸方向Ｄを貫通する軸孔２１０を有する。絶縁碍子２の軸孔２１０内には中心電極３が保持される。絶縁碍子２の先端部２３は、取付金具１１の先端開口１１１よりも先端側Ｄ１に突出している。絶縁碍子２は、アルミナ等の絶縁性セラミックスからなる。

中心電極３は、スパークプラグ１の軸方向Ｄに伸びる長尺状である。中心電極３は、絶縁碍子２の軸孔２１０内の先端側Ｄ１に保持される。中心電極３は、大径の基端部３２を有し、基端部３２が絶縁碍子２の軸孔２１０の内周に設けたテーパ状の段差面２１１上に支持される。一方、中心電極３は、テーパ状の先端部３１１を有し、先端部３１１は、絶縁碍子２の先端部２３よりも、さらに先端側Ｄ１に突出している。

接地電極７は、断面形状全体がＬ字形（具体的には、図１では逆Ｌ字状）に屈曲する板状体であり、基端側Ｄ２が取付金具１１の先端面に接合固定されている。接地電極７は、中心電極３の側方で軸方向Ｄに延び、先端部７１が径方向の内側に屈曲して中心電極３の先端部３１１に対向している。これにより、中心電極３の先端部３１１と接地電極７の先端部７１との間に、火花放電ギャップＧが形成される。

中心電極３、接地電極７は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）を主成分として含むＮｉ基合金等の金属材料を母材として構成される。電極内部に、熱伝導性に優れた金属、例えば、Ｃｕ（銅）またはＣｕ合金等の金属材料等からなる芯材を有して構成されていてもよい。中心電極３の先端部３１１と、接地電極７の先端部７１との対向面には、例えば、円柱状に成形された貴金属チップが、溶接等により接合される。貴金属材料としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｈ（ロジウム）等が挙げられ、これら貴金属から選ばれる少なくとも１種類を主成分として含む貴金属または貴金属合金を用いることができる。

端子金具６は、大径の端子部６２と、これより小径の軸部６１とを備える。軸部６１は、端子部６２側の基端部６１１と、これより先端側Ｄ１の主軸部６１２とからなる。主軸部６１２は、先端側Ｄ１の外周にネジ加工または溝加工を施してなる外周溝部６１３を有する。外周溝部６１３は、抵抗体５との間の導電性ガラスシール部４８との固着力を向上させる。

図１において、端子金具６は、小径の軸部６１が絶縁碍子２の軸孔２１０内に収容されており、絶縁碍子２への組付時に、導電性ガラスシール部４８を介して抵抗体５を加圧する。端子金具６の大径の端子部６２は、絶縁碍子２の軸孔２１０の基端開口よりも基端側Ｄ２に突出し、図示しない高電圧源に接続される。高電圧源は、例えば、車載バッテリに接続されて点火用高電圧を発生する点火コイルであり、図示しない制御装置に接続されている。なお、端子金具６は、ステムと称されることもある。

絶縁碍子２の軸孔２１０内において、端子金具６の軸部６１と中心電極３との間には、導電性ガラスシール部４、４８を介して抵抗体５が設けられる。抵抗体５は、円柱状の部材であり、所望の電気抵抗値に調整されている。抵抗体５は、中心電極３と端子金具６とを電気的に接続すると共に、電波雑音を吸収する機能を有する。

抵抗体５と中心電極３との間には、第１導電性ガラスシール部４が設けられている。また、抵抗体５と端子金具６との間には、第２導電性ガラスシール部４８が設けられている。

第１導電性ガラスシール部４および第２導電性ガラスシール部４８は、導電性の接合ガラスからなり、接合ガラスは、例えば、ガラスに銅粉末を混入させてなる銅ガラスからなる。これにより、外部の高電圧源から、端子金具６、第２導電性ガラスシール部４８、抵抗体５、第１導電性ガラスシール部４を経て、中心電極３に至る導電パスが形成され、中心電極３と接地電極７との間に高電圧が印加されて火花放電が発生する。

（実験例）
−抵抗体材料の準備−
大径ガラス（ホウケイ酸ガラス）粉末（平均粒径１００〜２００μｍ）と、小径ガラス（ホウケイ酸ガラス）粉末（平均粒径１０〜２０μｍ）と、カーボン粉末（平均粒径１〜１０μｍ）と、ジルコニア（ＺｒＯ_２）粉末（平均粒径２〜６μｍ）と、結合剤（デキストリン）とを十分に混練して均一状態とすることにより、複数種の抵抗体材料を調製した。なお、大径ガラス粉末と小径ガラス粉末とカーボン粉末とジルコニア粉末と結合剤とは、合計で１００質量部とした。また、抵抗体材料１００質量部中のカーボン粉末およびジルコニア粉末の質量比は、カーボン含有率およびジルコニア含有率が後述の表１を満たすように調整した。また、抵抗体材料１００質量部中、結合剤は１質量部であり、１００質量部からカーボン粉末およびジルコニア粉末および結合剤の合計質量部を引いた値を、大径ガラス粉末および小径ガラス粉末の合計質量部とした。大径ガラス粉末と小径ガラス粉末との質量比は、１６とした。上述した平均粒径は、レーザー回折・散乱法により測定した体積基準の累積度数分布が５０％を示すときの粒子径（直径）である。

−試験体の作製−
絶縁碍子の軸孔内に中心電極を挿入した後、導電性ガラスシール材料を充填し、予備圧縮した。次いで、軸孔内に所定の抵抗体材料、導電性ガラスシール材料を同様に順に充填し、予備圧縮した。次いで、軸孔内に端子金具を挿入した。次いで、これを炉内にて８６０℃で１時間加熱した後、端子金具を圧入して溶着させた。これにより、試験体１〜試験体２４のスパークプラグを得た。各試験体における抵抗体は、いずれも単一材料より形成されている。なお、各試験体は、抵抗体の抵抗値が０．５ｋΩ以上３ｋΩ以下となるように抵抗体の長さを調整した。抵抗体の長さが長いほど、抵抗体の抵抗値が大きくなる。

−抵抗体のカーボン含有率（質量％）、ＺｒＯ_２／Ｃ比−
上述した測定方法に従って、各試験体における抵抗体のカーボン含有率（質量％）、ＺｒＯ_２／Ｃ比を測定した。この際、電子線マイクロアナライザには、島津製作所社製の「ＥＰＭＡ−１６１０」を用いた。

−電雑評価−
電雑評価として、試験体のスパークプラグについて、広帯域放射ノイズ試験を実施した。具体的には、図３に示すように、内燃機関の燃焼室を模した、所定の圧力（０．２ＭＰａ）に調整可能な圧力容器９０に試験体のスパークプラグ１を取り付け、放電電圧１５ｋＶを印加したときに発生する電磁波ノイズを、ＥＭＩレシーバ９１を用いて測定した。なお、図３中、符合９２は、点火制御回路である。符合９３は、点火制御回路９２とスパークプラグ１とを接続するハイテンションコード（４．８ｋΩ、３０ｃｍ、１６ｋΩ・ｍ）である。符合９４は、ＥＭＩレシーバ９１に接続された電流プローブである。符合９５は、点火コイルである。符合９６は、イグナイタである。

試験体１５のスパークプラグを基準として、電磁波ノイズが±５％以内の変動であった場合を、ノイズ抑制ができているとして「Ａ」と評価した。また、電磁波ノイズが±５％超えの変動であった場合を、ノイズ抑制ができていないとして「Ｃ」と評価した。

−負荷寿命評価−
試験体のスパークプラグ１を、エンジンベンチシステムに取り付けて、表１に示す条件にて抵抗体負荷寿命試験を加速試験で実施した。なお、加速試験条件は、ＪＩＳＢ８０３１「内燃機関−スパークプラグ」の抵抗体負荷寿命試験に準ずるものであり、放電電圧・温度条件を、ＪＩＳＢ８０３１における条件（すなわち、２０±５ｋＶ、温度規定なし）より厳しい、３５ｋＶ、３５０℃とした。また、点火回数は、ＪＩＳＢ８０３１の規格である、抵抗値変化率における±３０％以下に基づいて、抵抗値変化率における±３０％に到達するまでの時間とした。なお、ＪＩＳＢ８０３１における点火回数１３００００００は、加速試験条件の周波数１００Ｈｚにおいて、４０時間に相当する。そのため、加速試験においては、抵抗値変化率における±３０％に到達するまでの時間を負荷寿命時間として、当該負荷寿命時間が４０時間以上であることを規格に設定した。

加速試験における負荷寿命時間が４０時間以上４８時間（規格の１．２倍）未満であった場合を「Ｂ」、加速試験における負荷寿命時間が４８時間（規格の１．２倍）以上であった場合を「Ａ」と評価した。また、加速試験における負荷寿命時間が４０時間未満であった場合を「Ｃ」と評価した。本実験例では、「Ａ」または「Ｂ」と評価された試験体は、負荷寿命が確保されていると判断し、そのうち、「Ａ」と評価された試験体は、負荷寿命が向上していると判断した。「Ｃ」と評価された試験体は、負荷寿命を確保することができないと判断した。

表２に、抵抗体の詳細構成および評価結果をまとめて示す。

表２によれば、抵抗体におけるカーボン含有率、カーボンに対するジルコニアの質量比（ＺｒＯ_２／Ｃ比）が、本開示にて規定される場合には、ノイズ抑制と負荷寿命の確保とを図ることが可能であることが確認された。また、各試験体の抵抗体は、カーボンとジルコニアとの質量比を調整した単一材料より作製することができる。そのため、各試験体の抵抗体は、特許文献１のスパークプラグのように、２つの異なる材料を用いて抵抗体を作製する必要がなく、スパークプラグの製造負荷を高くせずに済む利点があるといえる。

本発明は、上記各実施形態、各実験例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、各実施形態、各実験例に示される各構成は、それぞれ任意に組み合わせることができる。

１スパークプラグ
３中心電極
６端子金具
５抵抗体
５１ガラス
５２ジルコニア
５３カーボン

Claims

中心電極（３）と端子金具（６）との間に抵抗体（５）を有するスパークプラグ（１）であって、
上記抵抗体は、ガラス（５１）と、ジルコニア（５２）と、カーボン（５３）とを含み、
上記カーボンの含有率が１質量％以上３質量％以下であり、
上記カーボンに対する上記ジルコニアの質量比が８以上１６未満である、
スパークプラグ（１）。
上記カーボンに対する上記ジルコニアの質量比が９以上１３以下である、請求項１に記載のスパークプラグ（１）。