CN101276997B - 等离子流火花塞 - Google Patents

Abstract

提供一种等离子流火花塞，在该等离子流火花塞中，绝缘体和接地电极沿轴向彼此分开布置，从而防止损坏绝缘体，并且所述火花塞能够通过限定绝缘体与接地电极之间的间隙尺寸来减少喷射的等离子的能量损失，从而防止等离子流火花塞的可燃性变差。在均构成等离子流火花塞(100)的绝缘体(10)的前端(16)与接地电极(30)之间形成间隙(第一间隙)。由于将腔(60)的容积S设置为10mm³或者更小，因此防止形成于腔(60)中的等离子扩散。另外，由于第一间隙尺寸“a”满足a≤0.5mm，从腔(60)喷射的等离子在保持足够能量下向火花塞的外部喷射，从而在到达喷射口(31)的行程中不太可能出现能量泄漏到第一间隙中。

Description

等离子流火花塞

技术领域

本发明涉及一种等离子流火花塞，该火花塞产生等离子以点燃内燃机中的空气-燃料混合物。

背景技术

火花塞广泛用于汽车的内燃机中，用于通过火花放电点燃空气-燃料混合物。响应近来对高发动机输出功率和燃料效率的要求，期望提高火花塞的可燃性(ignitability)，以表现更高的燃烧极度空燃比并且实现适当的稀混合物点燃和快速燃烧。

该等离子流火花塞包括：中心电极；接地电极(外部电极)，其与金属壳联为一体，在接地电极与中心电极之间限定火花放电间隙；以及绝缘体(壳体)，其由陶瓷等制成并且包围火花放电间隙，从而形成所谓的腔(室)的小放电空间。通过在中心电极与接地电极之间施加高电压产生火花放电，并且此时引起的电介质击穿使得能够在相对低的电压下供给电流。于是，进一步的供电引起放电的相变，从而从称作喷射口的开口部(外部电极孔)喷射在腔中形成的等离子，用于点燃空气-燃料混合物(例如见专利文献1或者2)。

在专利文献1或者2中公开的等离子流火花塞具有圆筒状金属壳，该圆筒状金属壳的前端部封闭以用作接地电极并且在中央形成喷射口。另外，容纳在外部电极中的绝缘体的前端面与接地电极的内面接触，使得喷射口和腔同轴地形成。在另一形式的等离子流火花塞中，金属壳的前端部与单独的接地电极接合，并且在接地电极的中央限定喷射口，同时绝缘体的前端面与接地电极的内面(内侧面)接触(见专利文献1的图2)。

[专利文献1]日本专利申请特开平2-72577号公报。

[专利文献2]日本专利申请特开2006-294257号公报。

发明内容

[通过本发明解决的问题]

然而，如同根据专利文献1或者2的等离子流火花塞，在等离子流火花塞的制造中绝缘体和金属壳形成为具有严格的尺寸控制、并且绝缘体的前端面与接地电极的内面接触的情况下，由于构成绝缘体、金属壳和接地电极的材料的热膨胀系数的差异，使用时在热循环的影响下会损坏绝缘体。另一方面，在由于制造误差而导致在绝缘体的前端面与接地电极的内面之间形成大间隙的情况下，当形成于腔内的等离子通过喷射口喷射时，等离子能逸入到间隙中，因此等离子未喷射到预定方向，或者等离子的喷射量(喷射长度)可能降低(变短)。尽管通过卷边的方法使绝缘体紧固地容纳在金属壳中，但是在绝缘体的前端面被卷边的同时，由于绝缘体和接地电极的制造误差导致绝缘体的前端面被有力地压向接地电极的内面，因而由于内应力的增加会损坏绝缘体。

考虑到上述现有技术的问题完成了本发明，并且本发明的目的是提供一种等离子流火花塞，在该等离子流火花塞中，绝缘体和接地电极在轴向上彼此分开地布置以防止损坏绝缘体，并且通过确定绝缘体与接地电极之间的间隙尺寸，该火花塞能够减小喷射的等离子的能量损失，从而防止等离子流火花塞的可燃性变差。

[解决问题的方法]

为了解决以上问题，本发明的第一方面是提供一种等离子流火花塞，其包括：中心电极；绝缘体，其具有沿轴向延伸的轴孔，并且A：在所述轴孔中容纳所述中心电极的前端面，所述绝缘体保持所述中心电极，B：使所述中心电极的前端面位于所述轴孔内，所述绝缘体保持所述中心电极；腔，其形成在所述绝缘体的前端侧，并且呈现由所述轴孔的内周面和所述中心电极的前端面或者包括所述前端面的平面所限定的凹状；金属壳，其通过包围所述绝缘体的径向外周来保持所述绝缘体；以及接地电极，其接合到所述金属壳而与所述金属壳电连接，所述接地电极相对于所述绝缘体布置在所述前端侧并且具有用于使所述腔与所述火花塞外部之间连通的开口部，其中，随着在所述中心电极与所述接地电极之间的火花放电而在所述腔中产生等离子，所述绝缘体和所述接地电极在轴向上彼此分开地布置，并且满足以下公式：0＜a≤0.5mm和0.1≤S≤10mm³，其中a是所述绝缘体和所述接地电极之间沿轴向的间隙的尺寸；S是所述腔的容积。

除了第一方面的构成外，在根据本发明第二方面的等离子流火花塞中，在所述轴向上形成所述腔的位置处，所述绝缘体和所述金属壳在垂直于所述轴向的径向上彼此分开地布置，并且满足以下公式：b≤1.1mm，其中b是所述绝缘体和所述金属壳之间在垂直于所述轴向的所述径向上的间隙的尺寸。

除了本发明第二方面的构成外，在根据本发明第三方面的等离子流火花塞中，b满足以下公式：0.1≤b≤1.1mm。

另外，根据本发明第四方面的等离子流火花塞包括：中心电极；绝缘体，其具有沿轴向延伸的轴孔，并且A：在所述轴孔中容纳所述中心电极的前端面，所述绝缘体保持所述中心电极，B：使所述中心电极的前端面位于所述轴孔内，所述绝缘体保持所述中心电极；腔，其形成在所述绝缘体的前端侧，并且呈现由所述轴孔的内周面和所述中心电极的前端面或者包括所述前端面的平面所限定的凹状；金属壳，其通过包围所述绝缘体的径向外周来保持所述绝缘体；以及接地电极，其接合到所述金属壳而与所述金属壳电连接，所述接地电极相对于所述绝缘体布置在所述前端侧并且具有用于使所述腔与所述火花塞外部之间连通的开口部，其中，随着在所述中心电极与所述接地电极之间的火花放电而在所述腔中产生等离子，所述金属壳的与所述接地电极接合的接合部和所述接地电极至少其中之一与所述绝缘体在所述轴向上分开地布置，并且在所述金属壳的与所述接地电极接合的接合部和所述接地电极至少其中之一与所述绝缘体之间的间隙中布置第一密封件，使该第一密封件与所述接合部或者所述接地电极以及所述绝缘体贴紧。

除了本发明第四方面的构成外，在根据本发明第五方面的等离子流火花塞中，在所述绝缘体的外周面的如下部分中形成后端侧的直径比前端侧的直径大的绝缘体台阶部，所述外周面的所述部分被容纳在设置于所述金属壳的前端侧的安装部的径向内部，其中，沿所述金属壳的径向向内方向凸出的金属安装台阶部形成在所述金属壳的内周面中，并且面对所述绝缘体台阶部，在所述绝缘体台阶部和所述金属安装台阶部之间布置第二密封件，使该第二密封件与所述绝缘体台阶部和所述金属安装台阶部贴紧，并且所述第二密封件的硬度高于所述第一密封件的硬度。

除了本发明的第四或者第五方面的构成外，在根据本发明第六方面的等离子流火花塞中，满足以下公式：0＜a≤0.8mm和0.1≤S≤10mm³，其中，a是所述金属壳的与所述接地电极接合的所述接合部和所述接地电极至少其中之一与所述绝缘体之间在所述轴向上的间隙的尺寸；S是所述腔的容积。

除了本发明的任一上述方面的构成外，在根据本发明第七方面的等离子流火花塞中，满足以下公式：1.0≤G≤3.0mm，其中，G是所述中心电极与所述接地电极之间在所述轴向上的间隔的尺寸。

[本发明的结果]

根据第一方面的等离子流火花塞，由于在绝缘体与接地电极之间存在沿轴向的间隙(第一间隙)，因此，当绝缘体与接地电极贴紧时，不太可能出现由于绝缘体与接地电极之间的热膨胀系数的差异导致的任何损坏。同样，当等离子流火花塞被设计成在绝缘体与接地电极之间具有第一间隙时(即绝缘体与接地电极之间沿轴向的间隙尺寸是a＞0[mm])，由于在制造公差导致绝缘体压靠接地电极的同时，金属壳不保持绝缘体，因而不太可能在火花塞的制造过程中损坏绝缘体。

在该具有第一间隙的等离子流火花塞中，腔的容积S满足公式：0.1≤S≤10[mm³]。于是，等离子流火花塞可以确保腔中用于从开口部喷射等离子所需的最少能量，从而防止能量扩散，并且使得从腔喷射的等离子具有足够的能量。另外，由于第一间隙尺寸“a”满足公式0＜a≤0.5[mm]，因而等离子能在从腔到开口部的行程中不太可能泄漏到第一间隙中。因此，可以从开口部向火花塞的外部喷射有效量的等离子，从而实现优良的可燃性。

根据本发明第二方面，当绝缘体与金属壳之间在垂直于轴向的径向上的间隙(第二间隙)的尺寸“b”满足公式b≤1.1[mm]时，包括第一间隙和第二间隙的间隙的整个体积不增大。于是，等离子能不太可能泄漏到第一间隙中并且流到第二间隙，从而基本上避免了等离子能在从腔到开口部的行程上的损失。结果，可以从开口部向火花塞的外部喷射有效量的等离子，从而实现优良的可燃性。

考虑单个等离子流火花塞，尺寸“b”优选地尽可能接近0。然而，当尺寸“b”接近0时，组装绝缘体与金属壳变得困难，或者构成等离子流火花塞的每个部件在使用时趋向于由于热循环而膨胀或者收缩。由于该原因，如同在第三方面，尺寸“b”优选地是0.1[mm]或者更大。将尺寸“b”的下限确定为0.1[mm]或者更大，可以减少使用时由于部件的膨胀或者收缩导致的等离子流火花塞的损坏。

根据本发明第四方面的等离子流火花塞，由于在至少金属壳的接合部或者接地电极与绝缘体之间形成的间隙(第一间隙)中布置第一密封件，因此可以通过第一密封件来密封第一间隙。于是，从腔喷射的等离子能不太可能在到达开口部的行程中泄漏到第一间隙中，并且可以从开口部向火花塞的外部喷射有效量的等离子。结果，可以获得优良的可燃性。

根据本发明第五方面，可以将用于在金属壳中保持绝缘体的第二密封件的硬度制成比第一密封件的硬度更高，使得第一密封件不妨碍第二密封件的变形(改进密封效果的第二密封件的变形)。即，在等离子流火花塞的制造过程中，当金属壳被卷边用于保持绝缘体时，第一密封件容易由于卷边力而变形并且不妨碍第二密封件的表面变形，从而第二密封件可以贴紧(adhere)到金属壳和绝缘体二者。于是第二密封件可以防止燃烧气体通过金属壳和绝缘体泄漏。另外，当金属壳被卷边以便在其中保持绝缘体时，第一密封件可以用作绝缘体与接地电极之间的减震器。因此，可以防止在等离子流火花塞的制造过程中损坏绝缘体。

根据本发明第六方面，当腔的容积S满足公式0.1≤S≤10[mm³]时，等离子流火花塞可以确保腔中的等离子能不会扩散并且以足够的能量从腔喷射等离子。另外，由于第一间隙尺寸“a”满足公式：0＜a≤0.8[mm]，因此等离子能在从腔到开口部的行程中不太可能泄漏到第一间隙中。因此，可以从开口部向火花塞的外部喷射有效量的等离子，从而实现优良的可燃性。

根据本发明第七方面，当中心电极与接地电极之间沿轴向的间隙(火花放电间隙)尺寸G满足公式G≤3.0[mm]时，可以获得优良的可燃性。尽管稍后在实验2中说明该原因，但是与火花放电间隙尺寸G是3.0mm或者更小的情况相比，当火花放电间隙尺寸G超过3.0mm时可燃性急剧下降。另一方面，当火花放电间隙尺寸G满足公式1.0≤G[mm]时，可以充分地确保腔的深度，从腔喷射的等离子可以呈现有效的火焰形式，从而改进火花塞的可燃性。

附图说明

图1是根据第一实施例的等离子流火花塞100的局部剖视图；

图2是根据第一实施例的等离子流火花塞100的前端部的放大剖视图；

图3是根据第二实施例的等离子流火花塞200的局部放大剖视图。

图4是示出腔容积S、第一间隙尺寸“a”与点燃概率之间关系的曲线图。

图5是示出火花放电间隙尺寸G、第二间隙尺寸“b”与点燃概率之间关系的曲线图。

图6是示出在第一间隙中存在/不存在第一密封件、第一间隙尺寸“a”与点燃概率之间关系的曲线图。

图7是根据变形例的等离子流火花塞300的局部放大剖视图。

附图标记说明

10：绝缘体

12：轴孔

14、56：台阶部

20：中心电极

26：前端面

30、330：接地电极

31、331：喷射口

50：金属壳

52：安装部

60：腔

80：第二密封件

100、200、300：等离子流火花塞

270、370：第一密封件

331：喷射口

357：开口

365：接合部

具体实施方式

以下将参照附图说明实施本发明的等离子流火花塞的第一实施例。首先，参照图1和图2，将说明等离子流火花塞100的构成的例子。图1是等离子流火花塞100的局部剖视图。图2是示出等离子流火花塞100的前端部的放大剖视图。在以下说明中，等离子流火花塞100的轴“O”方向认作图1中从顶到底的方向。附图的下侧指的是等离子流火花塞100的前端侧，而附图的上侧指的是等离子流火花塞100的后端侧。

如图1所示，根据第一实施例的等离子流火花塞100包括：绝缘体10；金属壳50，在该金属壳中保持绝缘体10；中心电极20，其沿轴“O”方向保持在绝缘体10中；接地电极30，其被焊接到金属壳50的前端部65；以及金属端子40，其形成于绝缘体10的后端部。

绝缘体10是包括沿轴“O”方向的轴孔12的管状绝缘构件，绝缘构件10由公知的烧结铝等制成。具有最大外径的凸缘部19形成于轴“O”方向的大致中间部，并且后端侧体部18形成于凸缘部19的后端侧。后端侧体部18在其外周面上具有不平的表面(所谓的波纹)，从而延长了金属壳50与金属端子40之间的表面距离。比后端侧体部18具有更小外径的前端侧体部17形成于相对于凸缘部19的前端侧上。比前端侧体部17具有更小外径的长腿部13形成于相对于前端侧体部17的更前端侧。具有台阶形状的台阶部14设置于长腿部13与前端侧体部17之间。应注意在本发明中台阶部14用作“绝缘体台阶部”。

轴孔12的长腿部13的内周部用作内径比前端侧体部17、凸缘部19、以及后端侧体部18的内径更小的电极保持区域15。在电极保持区域15中保持中心电极20。如图2所示，轴孔12的内周在电极保持区域15的前端侧的直径进一步减小，并且用作前孔部61。前孔部61在绝缘体10的前端16开口。

接着，中心电极20是包括如INCONEL(商标名)600或601的镍系合金等的杆状电极，在中心电极20中设置由具有优良导热性的铜等构成的金属芯子23。由贵金属或者W(钨)构成的盘状电极顶端25被焊接到中心电极20的前端部21，从而与中心电极20成一体。应注意第一实施例中的“中心电极”包括与中心电极20成一体的电极顶端25。

如图1所示，中心电极20的后端侧带凸缘(直径制得更大)并且位于轴孔12的电极保持区域15的台阶部中，用于在电极保持区域15内适当地定位中心电极20。另外，如图2所示，中心电极20的前端部21的前端面26(即在前端部21中与中心电极20成一体的电极顶端25的前端面26)的周边与在具有不同直径的电极保持区域15和前孔部61之间形成的台阶部保持接触。对于该构造，由轴孔12的前孔部61的内周面与中心电极20的前端面26或者包括前端面26的平面限定圆筒状底的小容积放电间隙。在等离子流火花塞100中，在接地电极30与中心电极20之间形成的火花放电间隙中进行火花放电，并且火花放电穿过放电间隙的内部。该放电间隙称为腔60，火花放电时在腔60中形成等离子并且通过前端16的开口将等离子喷射到火花塞的外部。

如图1所示，通过设置于轴孔12中的金属玻璃混合物的导电密封材料4在前端侧体部17中将金属端子40电连接到中心电极20。密封材料4不仅是在中心电极20与金属端子40之间建立电传导，而且在轴孔12中固定中心电极20。金属端子40沿轴孔12向后侧延伸，并且金属端子40的后端部41从绝缘体10的后端向火花塞的外部突出。通过插头(未示出)将高压电缆(未示出)连接到后端部41，从而供给来自电源单元(未示出)的高压。

接着将说明金属壳50。金属壳50是用于将等离子流火花塞100固定到内燃机的发动机头(未示出)的圆筒状金属配件。金属壳50在其圆筒状孔59中保持绝缘体10，从而从绝缘体10的后端侧体部18到长腿部13包围绝缘体10的外周区域。金属壳50由低碳钢材料制成，并且在大致中间区域到前端侧具有大直径的安装部52。阳螺纹状的螺纹形成于安装部52的外周面上，以便与发动机头的安装孔(未示出)中的阴螺纹接合。金属壳50可以由如INCONEL(商标名)的具有优良耐热性的不锈钢制成。

另外，凸缘状密封部54形成于安装部52的后端侧，并且在密封部54与安装部52之间安装通过弯曲板材形成的环状垫片5。当将等离子流火花塞100安装到发动机头的安装孔上时，垫片5在面对密封部54的前端的底座面55与安装孔(未示出)的开口边缘之间变形。结果，确保等离子流火花塞100与安装孔之间的气密，并且防止燃烧气体通过安装孔泄漏。

用于接合火花塞扳手(未示出)的工具接合部51相对于密封部54形成于后端侧。薄卷边部53形成于相对于工具接合部51的后端侧，并且薄屈曲部58形成于工具接合部51与密封部54之间。另外，在从工具接合部51到卷边部53的内周区域与绝缘体10的后端侧体部18的外周面之间布置环形圈6、7，并且在环形圈6与7之间填充滑石粉9。

如图2所示，在安装部52的内周面中形成台阶部56，从而通过第二环状密封件80保持绝缘体10的台阶部14。第二环状密封件80由例如镍材料制成。如图1所示，当卷边部53的端部向内弯曲并且卷边时，通过环构件6、7和滑石9向前端侧加压绝缘体10。屈曲部58被加热一会，在卷边时，屈曲部58受到压缩力并且变形成膨胀的形状，从而增加了屈曲部58的压缩行程的量。对于该构造，绝缘体10的台阶部14与凸缘部19被可靠地夹在金属壳50的卷边部53与台阶部56之间。结果，绝缘体10在金属壳50内牢固地成一体。金属壳50的圆筒孔59的内周面与绝缘体10的长腿部13的外周面限定如图2所示的间隙。通过第二密封件80确保金属壳50与绝缘体10之间的气密性，以防止燃烧气体通过圆筒孔59泄漏。应注意在本发明中台阶部56等同于“金属安装台阶部”。

接地电极30设置于金属壳50的前端部65。接地电极30由耐热性优良的金属材料制成，如商标名为INCONEL600或601的镍系合金。如图2所示，接地电极30可呈盘状，并且在中央处具有称为喷射口31的开口(沿厚度方向的通孔)。接地电极30相对于绝缘体10的前端16布置在前端侧，并且接地电极30的厚度方向与轴“O”方向对准。即，接地电极30与形成于金属壳50的前端部65的内周面中的接合部57接合，同时在接地电极30与绝缘体10之间形成间隙。将接地电极30的外周边激光焊接到接合部57，从而与金属壳50成一体。接地电极30的喷射口31大致同轴地形成，以与绝缘体10的腔60对准，并且在腔60与外部空气之间建立连通。应注意在本发明中喷射口31等同于“开口部”。

在以该方式构造的等离子流火花塞100中，当在内燃机的工作期间向中心电极20与接地电极30之间形成的火花放电间隙施加高压时，接地电极30与中心电极20之间的绝缘被破坏，并且出现火花放电(也称作触发放电现象)。在该状态下，当向火花放电间隙施加额外的能量时，在由壁包围的小腔60内形成高能等离子。如此产生的高能等离子以火焰形式从腔60经过接地电极30的喷射口31喷射到火花塞的外部(即燃烧室)。其后，利用高能等离子放电点燃空气-燃料混合物，并且在燃烧室中通过火焰中心的生长而燃烧。

具有该构造的等离子流火花塞100在接地电极30与绝缘体10的前端16之间具有间隙(下文中称为“第一间隙”)。第一实施例基于稍后提到的实验1确定公式0＜a≤0.5mm和0.1≤S≤10mm³，其中“a”是第一间隙的尺寸，而“S”是腔60的容积。当腔60的容积S大于10mm³时，等离子能在腔60内扩散，从而从开口侧喷射的等离子能量减小。结果，可燃性变差(火焰长度变短)。当第一间隙尺寸“a”大于0.5mm时，在腔60中产生的等离子能在到达喷射口31的行程中泄漏到第一间隙，从而降低了等离子的能量。结果，等离子流火花塞100的可燃性变差。如上所述，当满足公式0＜a≤0.5mm和0.1≤S≤10mm³时，根据实验1的结果获得充分的和优良的可燃性。

将接地电极30接合到金属壳50的接合部57，从而抵靠金属壳50定位。以下面方式抵靠金属壳50定位绝缘体10的前端16，即由金属壳50的台阶部56通过第二密封件80支撑绝缘体10的台阶部14。即，接地电极30与绝缘体10的前端16之间的第一间隙尺寸“a”受卷边部53的卷边程度、第二密封件80的包括制造公差的厚度及/或硬度控制。

等离子流火花塞100具有的另一间隙(下文中称为“第二间隙”)与第一间隙连接并且由绝缘体10的长腿部13的外周面与金属壳50的圆筒孔59的内周面限定。第一实施例基于稍后提到的实验2确定公式0.1≤b≤1.1mm，其中“b”是第二间隙的尺寸。当第二间隙的尺寸“b”大于1.1mm时，第一间隙和第二间隙的整个间隙的容积增大。于是，泄漏到第一间隙中的等离子能容易流到第二间隙，导致基本上损失等离子能量密度并且减少被喷射的等离子的量。因此，可燃性可能变差。另外，考虑单个等离子流火花塞的耐热性，第二间隙尺寸“b”优选地尽可能接近0。然而，当第二间隙尺寸“b”接近0时，组装绝缘体10和金属壳50变得困难，或者构成等离子流火花塞100的每个部件在使用时将由于热循环而膨胀或者收缩。因此，当第二间隙尺寸“b”达到0时等离子流火花塞趋向于被损坏。如上所述，当第二间隙满足公式0.1≤b≤1.1[mm]时，根据稍后提到的实验2的结果，在不损坏等离子流火花塞的情况下获得优良的可燃性。

第一实施例基于实验2(稍后提到)确定公式1.0≤G≤3.0[mm]，其中“G”是在中心电极20与接地电极30之间沿轴向形成的火花放电间隙的尺寸。当火花放电间隙尺寸G大于3.0mm时，可燃性变差。为了解决该问题，优选施加高压，以便在中心电极20与接地电极30之间产生火花放电，然而，还存在由于过高的电压供给会损坏绝缘体10的可能性。另外，可能需要更昂贵的电源系统。考虑上述问题，火花放电间隙尺寸G优选地是3.0mm或者更小。另一方面，如果火花放电间隙尺寸G小于1.0mm，不能完全保证腔60沿轴“O”方向的长度(腔60的深度)，从而喷射的等离子不呈现火焰形。结果，可能出现可燃性变差。如上所述，当火花放电间隙尺寸G满足公式1.0≤G≤3.0mm时，可靠地产生火花放电，从而根据稍后提到的实验2的结果获得优良的可燃性。

在以上说明的等离子流火花塞100中，尽管通过热卷边的方式将绝缘体10保持在金属壳50中，但是未必使用该方法。例如，可以用冷加工进行卷边过程，或者可以直接地或者间接地(通过密封件等)加压卷边部53的端部，从而无需使用滑石9保持绝缘体10。只要能保持绝缘体10，用于保持绝缘体的方法不受限制。然而，当采用向轴“O”方向的前端加压绝缘体10的卷边过程等来保持绝缘体10时，在制造火花塞过程期间在防止绝缘体10损坏方面使用所述的热卷边的构造是有效的。

下面，将参照图3说明根据本发明的等离子流火花塞的第二实施例。图3是根据第二实施例的等离子流火花塞200的局部放大剖视图。根据第二实施例的等离子流火花塞200(见图3)具有布置在根据第一实施例的等离子流火花塞100(参照图2)的接地电极30与绝缘体10的前端16之间的间隙中的第一密封件270。使用例如冷轧钢板使第一密封件270形成为环状。第一密封件270的内径E大于腔60的内径D，并且至少第一密封件270的内径E与腔60的内径D之差的一半大于第一间隙尺寸“a”。即，在中心电极20与接地电极30之间产生的表面放电与气体放电的电介质击穿电压大于在中心电极20与第一密封件270之间产生的表面放电的电介质击穿电压。应注意根据第二实施例的等离子流火花塞200与根据第一实施例的等离子流火花塞100之间的构成的唯一差别在于存在/不存在第一密封件270，因此，在等离子流火花塞200中将省略或者简化对与等离子流火花塞100中相同的其它部件的说明。

类似于第一实施例，具有该构成的等离子流火花塞200包括金属壳50，在金属壳50的圆筒孔59中容纳绝缘体10并且通过在制造过程中对卷边部53进行卷边来保持绝缘体10。布置在第一间隙中的第一密封件270具有比第二密封件80更低的硬度，使得插在台阶部14与56之间的第二密封件80的变形可以不受第一密封件270的影响。作为例子，第一密封件270由JIS G3141中规定的维氏硬度为大约110HV的冷轧钢板制成。至于第二密封件80，可以采用JIS H4501中规定的维氏硬度为大约200HV的用于电子管的镍材料。

另外，为了在接地电极30与绝缘体10的前端16之间进行密封并且防止等离子能通过第一间隙泄漏，第一密封件270在被安装到等离子流火花塞200中之前的厚度等于或者稍大于第一间隙尺寸“a”。第二密封件80防止燃烧气体通过金属壳50的圆筒孔59流出。对于第一密封件270来说所需要的是用作防止泄漏等离子能。

于是，在根据第二实施例的等离子流火花塞200中，可以通过形成第一密封件270而在接地电极30与绝缘体10的前端16之间可靠地形成第一间隙。尽管关于腔60的容积尺寸S和火花放电间隙尺寸G的规格均与第一实施例的相同，但是通过在第一间隙中布置第一密封件270，等离子能不太可能泄漏到第二间隙并且还减少了泄漏到第一间隙的等离子能的量。因此，即使第一间隙尺寸“a”进一步增大，也充分保持等离子流火花塞200的可燃性。更特别地，当第一间隙尺寸“a”是0.8mm或者更小时，根据稍后提到的实验3的结果获得优良的可燃性。

如上所述，在等离子流火花塞中设置第一间隙(第一实施例)，或者在第一间隙中设置第一密封件270(第二实施例)，就可能防止由于使用时的热应力的影响或者等离子流火花塞的制造过程期间产生的应力的影响导致绝缘体10被损坏。为了确认通过规定如上所述的每个尺寸是否获得优良的可燃性，进行测试。

[实验1]

首先，为了研究第一间隙的尺寸“a”、腔60的容积S与可燃性之间的关系，进行测试。制造多种等离子流火花塞(测试样品)。每个测试样品具有四种绝缘体中的一种(每个绝缘体具有不同的内径D，使得腔的容积S是5mm³、10mm³、15mm³或者20mm³)并且第一间隙尺寸“a”处于从0.1mm到0.7mm的范围内。在每个样品中火花放电间隙尺寸G是3.0mm，并且第二间隙尺寸“b”是1.0mm。另外，在第一间隙中不形成第一密封件。

将每个样品安装到压力室上并且经受可燃性测试，用空气和C₃H₈气体的混合物(空燃比是22)充填该室到0.05MPa的压强(冲气过程)。接着，将样品连接到可以供给150mJ能量的电源，以便向样品供给高压。接着，判断空气-燃料混合物的点燃是成功或失败(点燃确认过程)。用于确认点燃的检测方法是用压力传感器测量室中的压力并且监视室中压力的变化。通过执行以上系列的过程步骤100次来判定测试样品的点燃概率。测试结果由图4中的曲线图指示。

从图4中的曲线图可见，当第一间隙尺寸“a”增大时，点燃概率降低。另外，当第一间隙尺寸“a”是0.5mm或者更小时，腔容积S是0.1mm³、5mm³或者10mm³的样品的点燃概率是100％。已确认当第一间隙尺寸“a”大于0.5mm时点燃概率降低。然而，即使当第一间隙尺寸“a”是0.1mm时，腔容积S是0.05mm³、15mm³或者20mm³的样品不具有100％的点燃概率。从而已经示出当第一间隙尺寸“a”是大于0到0.5mm或者更小并且腔的容积S是0.1mm³或者更大到10mm³或者更小时，可以获得100％的点燃概率，而不会损坏等离子流火花塞。

[实验2]

接着，为了研究火花放电间隙尺寸G、第二间隙尺寸“b”和可燃性之间的关系，进行测试。在该测试中，制造多个等离子流火花塞的样品。每个样品具有以下绝缘体中的一个，在这些绝缘体中长腿部形成为第二间隙尺寸“b”是0.5mm、1.0mm、1.1mm或者1.5mm，并且火花放电间隙尺寸G处于从1.0mm到4.0mm的范围内。每个样品的第一间隙尺寸“a”是0.5mm，并且通过改变腔的深度来调整火花放电间隙尺寸G。此时，每个样品的内径D被确定和调整以补偿腔的深度的改变，使得腔的容积S保持恒定是10mm³。即，使用实验1中确认的、获得100％可燃性的极限值进行该测试。另外，类似于实验1，在第一间隙中不布置第一密封件。

类似于实验1，将这些样品安装到室上并且经受点燃概率测试，用空气和C₃H₈气体的混合物(空燃比是22)充填该室到0.05MPa的压力。另外，将样品连接到可以供给150mJ能量的电源，并且通过执行所述气体充填过程和点燃确认过程100次来判定测试样品的点燃概率。测试结果由图5中的曲线图示出。

从图5中的曲线图可见，当火花放电间隙尺寸G超过3.0mm时，任何样品的点燃概率急剧下降。即，当火花放电间隙尺寸G超过3.0mm时，在火花放电间隙中不太可能出现电介质击穿。应注意当火花放电间隙尺寸G小于1.0mm时不进行测试。原因是不能充分保证腔的深度，并且不能喷射有效火焰形式的等离子。从而已经示出火花放电间隙尺寸G优选地是1.0mm或更大到3.0mm或更小。

从图5中的曲线图可见，当火花放电间隙尺寸G是3.0mm或者更小时，第二间隙尺寸“b”是1.0mm或者更小的样品可以获得100％的点燃概率。当样品的第二间隙尺寸“b”是1.1mm时，点燃概率小于100％，然而，通常获得80％或者更高的点燃概率。另外，当样品的第二间隙尺寸“b”是1.5mm时，点燃概率显著降低。从而已经示出当等离子流火花塞的第二间隙尺寸“b”是1.1mm或者更小时，可以获得优良的点燃性。另外，第二间隙尺寸“b”优选地是1.0mm或者更小，以便获得100％的点燃概率。

[实验3]

下面，进行测试以确认在第一间隙中具有第一密封件的等离子流火花塞的可燃性是否有任何改进。在该测试中，制造多个等离子流火花塞，在这些火花塞中采用两种绝缘体中的一种(一种在第一间隙中放置第一密封件，而另一种没有任何第一密封件)，并且第一间隙尺寸“a”处于从0.3mm到0.9mm的范围内。每个样品的第二间隙尺寸“b”是1.0mm。调整每个样品的腔的深度，使得不管第一间隙尺寸“a”是多少都将火花放电间隙尺寸G设置为3.0mm。另外，每个样品的内径D被确定和调整为腔的容积S保持是10mm³。即，使用在实验1和实验2中确认的、获得100％可燃性的极限值进行该测试。

类似于实验1和实验2，将这些样品安装到室上并且经受点燃概率测试，用空气和C₃H₈气体的混合物(空燃比是22)充填该室到0.05Mpa的压强。另外，将样品连接到可以供给150mJ能量的电源，并且通过执行所述气体充填过程和点燃确认过程100次来确定测试样品的点燃概率。测试结果由图6中的曲线图示出。

从图6中的曲线图可见，在第一间隙中不具有第一密封件的样品中，当第一间隙尺寸“a”是0.5mm或者更小时，获得100％的点燃概率。另外，当第一间隙尺寸“a”超过0.5mm时，点燃概率下降，这与实验1的结果相同。另一方面，在第一间隙中具有第一密封件的样品中，只要第一间隙尺寸“a”是0.8mm或者更小就获得100％的点燃概率。

本发明不限于这些典型实施例。会出现以上说明的实施例的各种变形例。第一和第二实施例的构成中金属壳50的圆筒孔59在前端侧上的开口被接地电极30覆盖。然而，如同图7中的等离子流火花塞300，圆筒孔359在前端侧上的开口的周边延伸并且沿径向向内弯曲，以形成接合部365，具有喷射口331的接地电极330可以接合到设置于接合部365中央的开口357。另外，可以在接合部365与绝缘体10的前端16之间的间隙中布置第一密封件370。当然，第一密封件370可以与接地电极330接触。另外，在等离子流火花塞300中没有接地电极330的情况下，金属壳350的接合部365的中央开口357可以用作喷射口。如等离子流火花塞300中每个间隙的尺寸等尺寸将与第一和第二实施例的尺寸一致。

在第一和第二实施例中，绝缘体10的前端面16和与前端面16相对的接地电极30的面向后的面呈平面状并且平行布置。然而，可以对前端面16和接地电极30的面向后的面的形状和布置进行各种变形。例如，至少前端面16或者接地电极30的面向后的面可以呈曲面或者台阶形状。另外，前端面16和接地电极30的面向后的面未必平行布置。由于本发明的目的是防止等离子泄漏到绝缘体的前端面与接地电极之间的间隙中，因此当应用以上变形例时可以在喷射口31侧(绝缘体沿径向的最内部)测量第一间隙尺寸“a”。另外，可以在前端侧(除了C倒角或者R倒角部)上测量第二间隙尺寸“b”，如图2所示。

在用于确认本发明效果的测试中，容积S根据腔60的深度或者前孔部61的直径变化。然而，未必以该方式确定容积S。可以如同第一和第二实施例(参照图2和图3)，通过由前孔部61的内周面与中心电极20的前端面26形成的腔60确定容积S。尽管在说明书中未图解说明，但是腔60可以包括部分电极保持区域15，该部分电极保持区域15位于相对于前孔部61的后端侧并且直径大于前孔部61的内径。另外，可以适当地修改前孔部61的内径。当然，在该情况下，优选地使接地电极30的喷射口31的开口直径大于前孔部61的内径，从而防止等离子泄漏到第一间隙中。

Claims (8)

1.一种等离子流火花塞(100)，其包括：

中心电极(20)；

绝缘体(10)，其具有沿轴向延伸的轴孔(12)，并且使所述中心电极(20)的前端面(26)位于所述轴孔内，所述绝缘体保持所述中心电极(20)；

腔(60)，其形成在所述绝缘体(10)的前端侧，并且呈现由所述轴孔(12)的内周面和所述中心电极(20)的前端面(26)或者包括所述前端面(26)的平面所限定的凹状；

金属壳(50)，其通过包围所述绝缘体(10)的径向外周来保持所述绝缘体(10)；以及

接地电极(30)，其接合到所述金属壳(50)而与所述金属壳(50)电连接，所述接地电极相对于所述绝缘体(10)布置在所述前端侧并且具有用于使所述腔(60)与所述火花塞(100)外部之间连通的开口部(31)，

其中，随着在所述中心电极(20)与所述接地电极(30)之间的火花放电而在所述腔(60)中产生等离子，

所述绝缘体(10)和所述接地电极(30)在轴向上彼此分开地布置，并且

满足以下公式：

0＜a≤0.5mm和0.1mm³≤S≤10mm³

其中a是所述绝缘体(10)和所述接地电极(30)之间沿轴向的间隙的尺寸；S是所述腔(60)的容积。

2.根据权利要求1所述的等离子流火花塞(100)，其特征在于，

在所述轴向上形成所述腔(60)的位置处，所述绝缘体(10)和所述金属壳(50)在垂直于所述轴向的径向上彼此分开地布置，并且

满足以下公式：

0.1mm≤b≤1.1mm

其中b是所述绝缘体(10)和所述金属壳(50)之间在垂直于所述轴向的所述径向上的间隙的尺寸。

3.根据权利要求1或2所述的等离子流火花塞(100)，

其特征在于，满足以下公式：

1.0mm≤G≤3.0mm

其中，G是所述中心电极(20)与所述接地电极(30)之间在所述轴向上的间隔的尺寸。

4.一种等离子流火花塞(200，300)，其包括：

中心电极(20)；

绝缘体(10)，其具有沿轴向延伸的轴孔(12)，并且使所述中心电极(20)的前端面(26)位于所述轴孔内，所述绝缘体保持所述中心电极(20)；

腔(60)，其形成在所述绝缘体(10)的前端侧，并且呈现由所述轴孔(12)的内周面和所述中心电极(20)的前端面(26)或者包括所述前端面(26)的平面所限定的凹状；

金属壳(50，350)，其通过包围所述绝缘体(10)的径向外周来保持所述绝缘体(10)；以及

接地电极(30，330)，其接合到所述金属壳而与所述金属壳(50，350)电连接，所述接地电极相对于所述绝缘体(10)布置在所述前端侧并且具有用于使所述腔与所述火花塞(200，300)外部之间连通的开口部(31，331)，

其中，随着在所述中心电极(20)与所述接地电极(30，330)之间的火花放电而在所述腔(60)中产生等离子，

所述金属壳(350)的所述接地电极(30，330)与所述绝缘体(10)在所述轴向上分开地布置、或者所述金属壳(350)的与所述接地电极(330)接合的接合部(365)和所述接地电极(30，330)均与所述绝缘体(10)在所述轴向上分开地布置，并且

在所述金属壳(350)的与所述接地电极(330)接合的接合部(365)和所述接地电极(30，330)至少其中之一与所述绝缘体(10)之间的间隙中布置第一密封件(270，370)，使该第一密封件(270，370)与所述接合部(365)和所述接地电极(30，330)至少其中之一以及所述绝缘体(10)贴紧。

5.根据权利要求4所述的等离子流火花塞(200，300)，其特征在于，

在所述绝缘体(10)的外周面的如下部分中形成后端侧的直径比前端侧的直径大的绝缘体台阶部(14)，所述外周面的所述部分被容纳在设置于所述金属壳(50，350)的前端侧的安装部(52)的径向内部，

其中，沿所述金属壳(50，350)的径向向内方向凸出的金属安装台阶部(56)形成在所述金属壳(50，350)的内周面中，并且面对所述绝缘体台阶部(14)，

在所述绝缘体台阶部(14)和所述金属安装台阶部(56)之间布置第二密封件(80)，使该第二密封件与所述绝缘体台阶部和所述金属安装台阶部贴紧，并且

所述第二密封件(80)的硬度高于所述第一密封件(270，370)的硬度。

6.根据权利要求4或5所述的等离子流火花塞(200，300)，其特征在于，

满足以下公式：

0＜a≤0.8mm和0.1mm³≤S≤10mm³

其中，a是所述金属壳(350)的与所述接地电极(330)接合的所述接合部(365)和所述接地电极(30，330)至少其中之一与所述绝缘体(10)之间在所述轴向上的间隙的尺寸；S是所述腔(60)的容积。

7.根据权利要求4或5所述的等离子流火花塞(100，200，300)，

其特征在于，满足以下公式：

1.0mm≤G≤3.0mm

其中，G是所述中心电极(20)与所述接地电极(30，330)之间在所述轴向上的间隔的尺寸。

8.根据权利要求6所述的等离子流火花塞(100，200，300)，

其特征在于，满足以下公式：

1.0mm≤G≤3.0mm

其中，G是所述中心电极(20)与所述接地电极(30，330)之间在所述轴向上的间隔的尺寸。

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