CN101442186B - 火花塞 - Google Patents

Abstract

一种火花塞，包括电极基础构件和芯构件的中心电极；经由熔融接合部结合到中心电极的电极头；保持中心电极的绝缘体；保持绝缘体的金属壳；以及结合到金属壳的接地电极。满足以下关系：d≤2.1mm和-0.09×d+0.33<Vb/(Va+Vb)<-0.2×d+0.75，其中，d为中心电极在轴向上从熔融接合部的基端靠近中心电极的基端4mm的位置处的外径，Va和Vb分别是电极基础构件和芯构件在轴向上在熔融接合部的基端和上述位置之间的区域中的体积。

Description

火花塞

技术领域

本发明涉及可安装在内燃机中并且被构造成用来点燃空气-燃料混合物的火花塞。

背景技术

已经在内燃机中采用火花塞来进行点火。火花塞通常包括：中心电极；将该中心电极保持在轴孔中的绝缘体；包围并保持该绝缘体的径向外周的金属壳；接地电极，其一端与金属壳结合并且另一端在中心电极与接地电极之间限定火花放电间隙。在中心电极与接地电极之间完成火花放电，从而点燃空气-燃料混合物。在火花塞中，为了防止由火花放电而产生电极磨损，包含贵金属作为主要成分的电极头被结合到中心电极和接地电极中的至少一方(例如，参见日本特开平5-159853号公报)。

在日本特开平5-159853号公报中描述的火花塞中，在中心电极的前端面中钻有孔，电极头装配在该孔中，之后将电极头和中心电极焊接在一起。在中心电极中埋设有诸如铜或银等具有高导热性的金属性芯(芯构件)，该芯构件接触或被定位成靠近装配于所述孔中的电极头。芯构件能有效地改善在中心电极的前端部的散热性能。

然而，当为了提高汽车发动机的输出或节约燃料费，减小了火花塞的直径以确保发动机的设计自由度时，中心电极的直径也被减小。因此，导致芯构件的截面面积变小。因此，可能会降低散热性能。此外，日本特开平5-159853号公报需要一个额外的加工过程，以在中心电极的前端面中形成装配电极头的孔。如果电极头和中心电极在没有形成该孔的情况下被结合在一起，则归因于如上所述散热性能下降，通过焊接这两个元件而形成的熔融接合部的散热性能不够。因此，该熔融接合部可能在发动机高负载时的高温下氧化，因此降低电极头的结合能力。

发明内容

鉴于上述情况做出本发明，本发明的一个目的在于提供一种火花塞，其能够充分地维持中心电极的前端部的散热性能并且可靠地防止在中心电极和结合到中心电极的前端部的电极头之间形成的熔融接合部发生氧化。

在第一方面中，本发明的上述目的可通过提供一种具有下述特征的火花塞实现，该火花塞包括：中心电极，该中心电极从其前端向其基端沿轴向延伸，并且包括电极基础构件和设置在该电极基础构件内部的芯构件，该芯构件具有比所述电极基础构件的导热性高的导热性；电极头，该电极头包含作为主要成分的贵金属，所述电极头经由熔融接合部结合到所述中心电极的前端部，所述电极头和所述中心电极在所述熔融接合部中熔合，该熔融接合部从其前端向其基端沿轴向延伸；绝缘体，该绝缘体具有沿轴向延伸的轴孔，该绝缘体在所述轴孔中将所述中心电极保持在所述轴孔的前端侧部上；金属壳，该金属壳从其前端向其基端沿轴向延伸，并且包围和保持所述绝缘体的径向外周；以及接地电极，该接地电极一端结合到所述金属壳的前端面并且另一端限定所述电极头和所述接地电极之间的火花放电间隙；其中，满足下面的关系(1)和(2)：

d≤2.1mm...(1)；以及

-0.09×d+0.33<Vb/(Va+Vb)<-0.2×d+0.75...(2)

其中：d为所述中心电极在轴向上比所述熔融接合部的基端靠近所述中心电极的基端4mm的位置处的外径；Va和Vb分别是电极基础构件和芯构件在从熔融接合部的基端到中心电极在轴向上比熔融接合部的基端靠近中心电极的基端4mm的位置的区域中的体积。

在第二方面中，本发明提供一种根据第一方面的火花塞，其中，所述中心电极的所述芯构件具有在800℃下为25×10^-6[1/K]以下的线膨胀系数。

在第三方面中，本发明提供一种根据第一或第二方面的火花塞，其中，所述熔融接合部的基端处于在轴向上比所述金属壳的前端面靠近所述中心电极的前端1mm以上的位置处。

在第四方面中，本发明提供一种根据第一至第三方面中任一方面的火花塞，其中，在轴向上限定在所述熔融接合部的基端与所述芯构件的前端之间的距离为0.5mm以下。

在第五方面中，本发明提供一种根据第一至第四方面中任一方面的火花塞，其中，所述金属壳的外周面具有固定螺纹部，该固定螺纹部具有可旋拧到内燃机的内螺纹固定螺纹孔上的螺纹部，以及所述固定螺纹部具有12mm以下的公称直径。

在根据本发明的第一方面的火花塞中，芯构件的体积Vb与中心电极的体积Va+Vb之比Vb/(Va+Vb)满足-0.09×d+0.33<Vb/(Va+Vb)，因此芯构件能为中心电极提供充分的散热性能。这样，芯构件与中心电极的外径d的体积比可以被设定成使得熔融接合部的温度达不到950℃，以完全地防止熔融接合部被氧化，从而能防止归因于熔融接合部的氧化而引起的电极头的丢失甚至脱落。

另外，在根据本发明的第一方面的火花塞中，芯构件的体积Vb之比Vb/(Va+Vb)满足Vb/(Va+Vb)<-0.2×d+0.75，因此可以减少在芯构件和电极基础构件之间归因于芯构件与电极基础构件之间的热膨胀差异而产生的应力的增加。因此，能够控制中心电极的内应力，从而避免其不适当地增大，从而能防止电极基础构件发生破裂或变形。

此外，本发明的第一方面应用于这样的火花塞，其包括需要高散热性能的外径d为2.1mm以下的中心电极，因此火花塞能够采用减小的尺寸和直径，同时通过如上所述地设定芯构件的体积Vb之比Vb/(Va+Vb)充分地确保中心电极的足够的散热性能。

根据本发明的第二方面，将线膨胀系数在800℃下为25×10^-6[1/K]以下的材料用作芯构件。因此，能够减小归因于芯构件和布置在芯构件外侧的电极基础构件之间的热膨胀系数差异而从芯构件传递到电极基础构件上的应力，因此能防止电极基础构件发生破裂或变形。

另一个考虑是，由于限定在接地电极和中心电极的电极头之间的火花放电间隙更加突出到内燃机的燃烧室内，因此能够提高空气-燃料混合物的可点火性。另一方面，设置在这种火花塞中的中心电极需要高的散热性能。但是，如果中心电极具有如上所述的高散热性，则这种中心电极也能用于以下的火花塞：熔融接合部的基端位于在轴向上比金属壳的前端面靠近火花塞的前端1mm以上的位置处，与根据本发明第三方面的火花塞中的情况一样，能提高可点火性同时充分地确保中心电极的散热性能。

根据本发明第四方面，在轴向上熔融接合部的基端与芯构件的前端之间限定的距离为0.5mm以下。因此，能进一步提高中心电极的散热性能。

如果如上所述的具有改善的散热性能的中心电极用于尺寸减小的火花塞，尤其是与根据本发明的第五方面的火花塞的一样的固定螺纹部的螺纹部的公称直径为12mm以下的火花塞，则能在保持绝缘性能的同时确保绝缘体的厚度。另外，防止出现横向的火花放电同时确保金属壳的内周边与绝缘体的外周边之间的间隙，从而能得到更有利的效果。

附图说明

图1是根据本发明的实施方式的火花塞的局部剖视图；

图2是火花塞的中心电极的前端部附近的区域的放大剖视图；

图3是电极基础构件在熔融接合部的基端与在轴向上比熔融接合部的基端靠近中心电极的基端4mm的位置之间的区域的剖视图；

图4是芯构件在熔融接合部的基端与在轴向上比熔融接合部的基端靠近中心电极的基端4mm的位置之间的区域的剖视图；

图5是示出三种中心电极的图，这三种中心电极在从熔融接合部的基端至朝向基端侧距离熔融接合部基端4mm的位置的区域中芯构件的体积不同；

图6是示出中心电极的温度分布根据中心电极的芯构件的体积Vb之比Vb/(Va+Vb)的差异而变化的图；

图7是示出熔融接合部中的凹坑(scooping)的发生率根据中心电极的外径d而改变的图；

图8是示出熔融接合部中的凹坑的发生率根据熔融接合部的温度而改变的图；

图9是示出中心电极的芯构件体积Vb之比Vb/(Va+Vb)与熔融接合部的温度之间的关系根据中心电极的外径d不同而不同的图；

图10是示出中心电极的芯构件体积Vb之比Vb/(Va+Vb)与芯构件和电极基础构件之间的最大应力间的关系根据中心电极的外径d不同而不同的图；

图11是示出中心电极的芯构件体积Vb之比Vb/(Va+Vb)与芯构件和电极基础构件间的最大应力之间的关系根据芯构件的线膨胀系数不同而不同的图；

图12是示出中心电极的芯构件体积Vb之比Vb/(Va+Vb)与熔融接合部的温度之间的关系根据金属壳的前端面与熔融接合部的基端之间在轴向上的长度不同而不同的图；以及

图13是示出熔融接合部的温度作为熔融接合部的基端和芯构件的前端之间在轴向上的距离的函数而改变的图。

具体实施方式

下面将参照附图描述本发明的火花塞的实施方式。然而，本发明并不限于此。首先参照图1和图2，将描述作为一个实施例的火花塞100的结构。图1是火花塞100的局部剖视图。图2是火花塞的中心电极的前端部附近区域的放大剖视图。在下面的说明中：火花塞100的轴线O的方向(也称为轴向)与图1的上下方向对应，其中图1的下端侧与火花塞的前端侧对应，图1的上端侧与火花塞的基端侧对应。

如图1所示，火花塞100包括：绝缘体10；保持绝缘体10的金属壳50；沿轴线O的方向被保持在绝缘体10中的中心电极20；具有焊接到金属壳50的前端面57上的基部32和侧面面对中心电极20的前端部22的远端部31的接地电极30；以及设置在绝缘体10的基端部的端子金属件(terminal metal fitting)40。

首先，将描述用作火花塞100的绝缘构件的绝缘体10。如本领域的技术人员所周知，绝缘体10通过烧结铝等而形成，其具有圆筒形状，在绝缘体10中形成有围绕轴线O并沿着轴线O的方向延伸的轴孔12。在轴线O方向的大致中央处形成有具有最大外径的凸缘部19。基端侧主干(barrel)部18形成为比凸缘部19靠近基端(即，图1中的上端侧)。外径小于基端侧主干部18的前端侧主干部17形成为比凸缘部19靠近前端(即，图1中的下端侧)。另外，外径小于前端侧主干部17的支腿部13形成为比前端侧主干部17靠近前端。支腿部13具有朝其前端减小的直径，当火花塞100被安装到内燃机的缸盖(engine head)200时该支腿部13暴露到内燃机的燃烧室。在支腿部13和主干部17的前端侧之间形成有台阶部15。

接着，将描述中心电极20。如图2所示，中心电极20为杆状并且包括电极基础构件21和芯构件25。电极基础构件包含镍或含有镍作为其主要成分的合金，如INCONEL(商标名)600或601。芯构件25埋设在电极基础构件21中并且包含铜或含有铜作为其主要成分的合金，芯构件25的导热性比电极基础构件21的导热性高。通常，通过在形成为带底的圆筒形状的电极基础构件21内部填充芯构件25，然后在从底侧进行挤压模塑的同时拉伸该填充后的部件来形成中心电极20。芯构件25在主干部具有基本上固定的外径，芯构件25的直径朝向前端侧而减小。

中心电极20的前端部22比绝缘体10的前端部11更朝向前端侧突出，且前端部22的直径朝向前端而减小。含有作为主成分的贵金属的电极头90结合到中心电极20的前端部22的前端面。在本实施例中，包含在元件(例如，电极头90)中的“主成分”是指元件中含量为50wt％以上的成分。电极头能改善火花塞的耐磨性。通过围绕电极头90和中心电极20的前端部22之间的界面的整个圆周进行激光焊接，将电极头90和中心电极20的前端部22焊接在一起。在激光焊接过程中的激光照射形成熔融接合部95，电极头90和中心电极20的材料在该熔融接合部中熔化并混合在一起，该熔融接合部95使电极头90和中心电极20可靠地接合在一起。在绝缘体10的前端部11中的轴孔12的内周面与中心电极20面向轴孔12内周面的外周面之间形成有微间隙23。该间隙减小归因于冷热循环的中心电极20的前端部22膨胀而作用在绝缘体10的前端部11上的负荷。中心电极20在轴孔12中朝向基端延伸，并经由密封体4和陶瓷电阻3(参见图1)电连接到位于基端侧(即，图1中的上端侧)上的端子金属件40。高压线缆(未示出)经由插头(未示出)连接到端子金属件40，从而对端子金属件40施加高压。

下面，将描述接地电极30。接地电极30由具有高耐腐蚀性的金属制成。例如，诸如INCONEL(商标名)600或601的镍合金用于接地电极30。接地电极30在垂直于其长度方向的截面上具有大致矩形形状。接地电极30的基部32通过焊接结合到金属壳50的前端面57。接地电极30的远端部31弯曲使得远端部31的一个侧面面对中心电极20的前端部22。

下面，将描述金属壳50。如图1所示，金属壳50为圆筒形金属壳，用于将火花塞100固定到内燃机的缸盖200上。金属壳50将绝缘体10保持在其中以从基端侧主干部18的一部分至支腿部13包围绝缘体10。金属壳50由低碳钢制成，包括与火花塞扳手(未示出)接合的工具接合部51和具有螺纹部的固定螺纹部52，该螺纹部将旋拧到缸盖200的设置在内燃机的上部的固定螺纹孔201中。

在金属壳50的工具接合部51和固定螺纹部52之间形成有凸缘状密封部54。通过弯曲板体而形成的环形密封圈5被装配到螺纹颈口59，该螺纹颈口布置在固定螺纹部52和密封部54之间。当火花塞100安装到缸盖200时，密封圈5被挤压在密封部的支承面55和固定螺纹孔201的开口周缘部205之间并发生变形，从而密封支承面55与开口周缘部205之间的空间。因此，密封圈5能防止气体通过固定螺纹孔201从发动机内部泄露。

金属壳50包括处于比工具接合部51靠近基端的位置的薄卷边部53。金属壳50还包括与卷边部53类似的在密封部54和工具接合部51之间的薄弯曲部58。圆环形构件6和7在从工具接合部51至卷边部53的区域处介于金属壳50的内周面和绝缘体10的基端侧主干部18的外周面之间。环形构件6和7之间的空间填充有滑石粉9。通过使卷边部53向内弯曲并卷边，通过环形构件6和7以及滑石粉9朝金属壳50的前端侧挤压绝缘体10。结果，绝缘体10的台阶部15经由设置在台阶部15和台阶部56之间的环状板片密封垫(annular plate packing)8被台阶部56支撑，从而使金属壳50和绝缘体10组合在一起，其中台阶部56形成在金属壳50的内周上固定螺纹部52的位置处。此时，通过板片密封垫8保持金属壳50和绝缘体10之间的气密性，并防止燃烧气体泄漏。在卷边之后施加压缩力使弯曲部58向外弯曲和变形，滑石粉9的压缩冲程起作用，从而改善金属壳50内部的气密性。

在火花塞100中，中心电极20的前端部22和电极头90通过散热而冷却。也就是说，中心电极20或电极头90的由于发动机工作而产生的热量通过具有高导热性的芯构件25被传导并被释放到中心电极20的基端侧。散热得以可靠地进行，通过将电极头90和中心电极20结合在一起而形成的熔融接合部95没有到达容易发生氧化的温度。为了可靠且高效地进行散热，在本实施方式的火花塞100中，如下所述地设定中心电极20的组成部件，即，电极基础构件21和芯构件25的直径和体积之间的关系。

首先，在本实施方式中，利用基准位置设定中心电极20的外径d、电极基础构件21的体积Va和芯构件25的体积Vb，该基准位置处于从熔融接合部95在轴线O的方向上的最基端位置(也称为熔融接合部95的基端)靠近在轴线O方向上的基端侧4mm的位置。原因在于，从下面所述的实施例1的结果来看，在具有不同的电极基础构件21和芯构件25的体积比的中心电极20的样本之中，在比基准位置(即，比熔融接合部95的基端靠近中心电极的基端4mm的位置)靠近火花塞的基端的区域中没有发现温度分布有较大差异。换句话说，在轴线O方向上从熔融接合部95的基端到朝向基端侧距离熔融接合部基端4mm的位置的区域中，电极基础构件21的体积Va与芯构件25的体积Vb之间的体积比显著影响中心电极20的散热性能。

在该实施方式中，如图2所示，平面P(其截面由双点划线P-P示出)被定义为经过熔融接合部95的基端并与轴线O垂直的平面。另外，平面Q(其截面由双点划线Q-Q示出)被定义为经过在轴线O的方向上朝向基端侧距离平面P位置4mm的位置并与轴线O垂直的平面。下面，为了说明的目的，沿这些平面P和Q切割中心电极20。此时，体积Va被定义为沿平面P和Q切割的中心电极20的电极基础构件21的体积，如图3所示。同样，体积Vb被定义为沿平面P和Q切割的中心电极20的芯构件25的体积，如图4所示。此外，如图2所示，直径d被定义为通过沿平面Q切割而获得的中心电极20的表面的直径，即，中心电极20在轴线O方向上在比熔融接合部95的基端靠近火花塞基端4mm位置处的外径。中心电极20的芯构件25的体积Vb可以通过下列步骤确定：在中心电极的长度方向上以相等距离间隔开的位置处(例如，以0.1mm的间隔)利用X射线射影对中心电极进行断面分析；计算每一个位置被芯构件25覆盖的面积；以及计算该区域的积分值。

在本实施方式中，基于下面描述的实施例2的结果，将中心电极20的外径d设定为2.1mm以下。原因在于，芯构件25的截面面积随着中心电极20的外径d增加而增加，且芯构件25的截面面积增大改善了其散热性能。因此，尤其是当中心电极20的外径d大于2.1mm时，能充分地防止熔融接合部95的氧化，而不受电极基础构件21和芯构件25的直径或体积的限制。

在本实施方式中，基于下面描述的实施例3和4的结果，将芯构件25的体积Vb与中心电极20的体积Va+Vb(即，电极基础构件的体积Va和芯构件的体积Vb的和)的比值Vb/(Va+Vb)设定为满足以下关系(1)。

-0.09×d+0.33<Vb/(Va+Vb)...(1)

根据关系(1)，通过芯构件25能获得足够的散热性能，且熔融接合部95的温度能达不到950℃。当温度低于950℃时，能充分地防止熔融接合部95的氧化。因此，能防止电极头90从中心电极20上丢失(即，脱落)。

此外，在本实施方式中，基于下面描述的实施例5的结果，将芯构件25的体积Vb与中心电极20的体积Va+Vb的比值Vb/(Va+Vb)设定为满足以下关系(2)。

Vb/(Va+Vb)<-0.2×d+0.75...(2)

由铜或包含铜作为主要成分的合金制成的芯构件25具有比由镍或包含镍作为主要成分的合金制成的电极基础构件21的线膨胀系数高的线膨胀系数。芯构件25的体积Vb相对于中心电极20的体积Va+Vb越大，因为热膨胀差异而作用于布置在芯构件25外侧的电极基础构件21上的应力越大。但是，如果满足表达式(2)，能够控制该应力的增大，从而防止电极基础构件21破裂或变形。

基于下面描述的实施例6的结果，通过采用线膨胀系数在800℃下为25×10^-6[1/k]以下的材料来制造芯构件25。在本实施方式中，采用铜。但是，除了铜之外，也可以采用满足这个条件的其他材料作为芯构件25，满足这个条件可以减小芯构件25由于芯构件25与配置在芯构件25外侧的电极基础构件21的热膨胀差异而传递给电极基础构件21的应力，从而防止电极基础构件21破裂或变形。

在本实施方式中，在轴线O方向上熔融接合部95基端的位置与金属壳50的前端面57的位置之间的距离“A”(参见图2)设定为1mm或更大。原因在于，根据下面描述的实施例7的结果，当熔融接合部95基端的位置位于在轴线O方向上比金属壳50的前端面57靠近火花塞前端1mm或更大的位置处时，熔融接合部95的温度升高率趋于随着比Vb/(Va+Vb)的变化而变得比在熔融接合部95基端的位置位于在轴线O方向上比金属壳50的前端面57靠近火花塞前端小于1mm的位置处的情况下高。随着限定在接地电极30和中心电极20的电极头90之间的火花放电间隙突出到内燃机的燃烧室中，能够改善空气-燃料混合物的可点火性。根据实施例7的结果，当熔融接合部95基端的位置位于在轴线O方向上比金属壳50的前端面57靠近火花塞前端1mm或更大的位置处时，中心电极20需要更高的散热性能。因此，如果在如上所述的火花塞100中采用散热性能得以改善的中心电极20，能提高可点火性，同时充分地确保中心电极20的散热性能。

因此，虽然该实施方式的中心电极20的外径d变薄，但是能可靠地防止熔融接合部95的氧化。为了减小火花塞100的尺寸，利用本实施方式的中心电极20使得在不改变绝缘体10厚度的情况下可以减小该外径，因此可以保持绝缘体10的绝缘性能。另外，与直径以与如上所述相同的方式减小的金属壳50内周面的间隙是比较大的空间，从而防止横向火花放电等的发生。换句话说，就尺寸需要减小的火花塞而言，尤其是就固定螺纹部的螺纹部的公称外径为M12(12mm)或更小的火花塞而言，利用本实施方式的中心电极20能发挥更有利的效果。

在火花塞100中，如下面描述的进行评价试验，将中心电极20的组成部件，即，电极基础构件21和芯构件25的直径或体积之间的关系设定为，使得中心电极20或电极头90通过发动机运行而接收的热量能被可靠地朝向中心电极20的基端侧释放。

实施例1

首先，进行评价试验以检查芯构件25的体积与中心电极20的散热性能之间的关系。如图5所示，生产三种中心电极，它们的不同之处在于包含在从熔融接合部的基端到朝向基端侧距离熔融接合部的基端4mm的位置的区域中的芯构件的体积不同，并制备分别采用这些中心电极的火花塞样本1、2和3。生产样本1的中心电极，同时对还没有进行挤压模塑的电极基础构件和芯构件的尺寸和形状进行调节，使得上述部分中的芯构件的体积Vb与中心电极的体积Va+Vb之比Vb/(Va+Vb)被设定为0.16。同样，生产样本2的中心电极，使得所述比Vb/(Va+Vb)被设定为0.28，以及生产样本3的中心电极，使得所述比Vb/(Va+Vb)被设定为0.49。中心电极的外径d被设定为1.9mm。

之后，在各样本中埋设温度传感器，然后将各样本安装在实际车辆中以进行预定的运行试验，并测量中心电极的各部位的温度。作为该评价试验的结果，如图6所示，针对各个样本获得不同的中心电极温度分布。如图6所示，在比距离熔融接合部的基端4mm的位置附近的位点靠近火花塞基端的一侧，各样本的中心电极示出为具有几乎相同的温度分布。但是，在比距离熔融接合部的基端4mm的位置附近的位点靠近火花塞前端的一侧，证实比Vb/(Va+Vb)越大，靠近熔融接合部的部位的温度越低。另外，包含在中心电极中的芯构件的体积越大，散热性能越好，因此显示出低温。根据这个评价试验的结果，发现中心电极的散热性能依赖于在比距离熔融接合部基端4mm的位置附近的位点靠近火花塞前端的一侧上所包含的芯构件的体积。在下面的实施例中，电极基础构件的体积Va和芯构件的体积Vb被限定为在从熔融接合部的基端至距离熔融接合部的基端4mm的位置的区域中的各自材料的体积。同样，在距离熔融接合部的基端4mm位置处的外径用作中心电极的外径d。

实施例2

下面，对在距离熔融接合部95基端4mm的位置处的中心电极20的外径d与中心电极20的散热性能之间的关系进行评价试验。制备几种具有不同外径d的中心电极，这些外径d在1.5mm至2.6mm的范围内。每种各中心电极的数量为12。生产使用每种中心电极的火花塞的样本。之后，将各样本安装在发动机中，进行耐久试验，其中利用2.5升6缸汽油发动机将维持转速为6000rpm的状态持续700小时。之后，检测在各样本的熔融接合部中凹坑(磨损或缺口)的发生率。这里，凹坑表示熔融接合部的体积在耐久试验之后减小的状态，这通过利用例如X射线CT设备测量熔融接合部在进行耐久试验之前和之后的体积而被确定。根据在具有相同外径d的12个中心电极之中出现凹坑的样本数量计算凹坑发生率，并图示出凹坑发生率与外径d之间的关系(参见图7)。

如图7所示，证实了中心电极的外径d越小，芯构件在轴线O方向上的截面面积越小。结果，如果中心电极的外径d为2.1mm以下，则向基端侧传导和释放中心电极前端侧上的热量的散热性能降低，且凹坑发生率升高。

实施例3

下面，进行评价试验以检测温度对熔融接合部95中凹坑发生率的影响。在该评价试验中，制备结合有电极头的中心电极的样本，进行一千次循环，每一次循环包括：以预定温度加热熔融接合部两分钟；之后使样本自然冷却一分钟。在这个试验中，针对每个评价温度制备10个样本。确认已被加热的各样本的熔融接合部的状态，根据观察到凹坑的样本的数量计算每个评价温度的凹坑发生率。结果，图示出凹坑发生率与加热温度之间的关系(参见图8)。

如图8所示，证实了熔融接合部的温度越高，凹坑发生率越高，且凹坑发生率在950℃或更高的温度下急剧上升。

实施例4

从实施例2和3可知，即使中心电极20的外径d为2.1mm以下，如果熔融接合部95的温度维持为低于950℃，则能抑制凹坑发生率的升高。因此，进行评价试验以确定通过组合中心电极的外径d和芯构件的体积Vb之比Vb/(Va+Vb)使熔融接合部的温度保持在950℃以下的条件。在该评价试验中，通过如下组合：中心电极的外径d在1.5mm至2.1mm范围内：芯构件的体积Vb之比Vb/(Va+Vb)在0.05至0.20的范围内，生产多个中心电极。通过使用这些中心电极生产火花塞，在各火花塞中埋设温度传感器以测量熔融接合部的温度。各样本均被安装在实际车辆中以进行预定的运行试验，并测量熔融接合部的温度(参见图9)。

在该评价试验的结果中，通过将具有相同外径d的中心电极分成一组，确认比Vb/(Va+Vb)与熔融接合部的温度之间的关系。结果，如图9所示，获得近似直线，其示出比Vb/(Va+Vb)越大，熔融接合部的温度越低，并且这些近似直线具有与各中心电极的外径d相对应的不同坡度。从这个图中，得出了关于比Vb/(Va+Vb)与外径d之间的关系的数学表达式，以确定在各近似直线上，熔融接合部的温度被保持在950℃以下的部位。结果，获得上述的关系式(1)。

实施例5

由铜或含有铜作为主要成分的合金制成的芯构件25的线膨胀系数比由镍或含有镍作为主要成分的合金制成的电极基础构件21的线膨胀系数大。同样，比Vb/(Va+Vb)越大，也就是，包含在电极基础构件21中的芯构件25的体积Vb增大，内应力越大。因此，为了确定比Vb/(Va+Vb)和芯构件25与电极基础构件21之间产生的应力之间的关系，根据场发射显微镜(FEM)分析进行评价。

生产分别具有外径d为1.5mm、1.9mm和2.1mm的中心电极的模拟模型。然后进行计算以获得，当每个模型中的比Vb/(Va+Vb)在0至0.60的范围内逐渐变化时，预期将在芯构件和电极基础构件之间产生的应力。这个应力被计算为在芯构件与电极基础构件之间的边界中产生最大应力的部位的应力(最大应力)。图10是该分析结果的图。

如图10所示，各模型预示出芯构件与电极基础构件之间产生的最大应力具有固定值直到到达一特定点为止，也就是，当比Vb/(Va+Vb)逐渐增大时，最大应力在超过该点后急剧增大。因此，进行计算，以得到一条近似直线L-L(图10中由加黑的虚线示出)，该条线连接在图10中各模型的最大应力突然增大的点。在每个模型中，在比值Vb/(Va+Vb)比近似直线L-L靠近左端(在图中)的区域中，即，在比值Vb/(Va+Vb)比最大应力突然增加的点的比值小的区域中，在芯构件与电极基础构件之间产生的最大应力保持不变。基于该图，从Vb/(Va+Vb)和d的关系式得到比近似直线L-L靠近左端的区域，结果，获得上述关系式(2)。

实施例6

另外，为了研究作为比Vb/(Va+Vb)的函数的应力对芯构件25的线膨胀系数改变的依赖性(dependency)，并且为了研究预期将在芯构件25与电极基础构件21之间产生的应力，以与实施例5中相同的方式进行FEM分析。在该分析中，准备了外径d为1.9mm的中心电极的多个模拟模型，这些模型包括在800℃下具有在范围15×10^-6至30×10^-6[1/K]内的不同线膨胀系数的芯构件。在每个模型中，当比Vb/(Va+Vb)在0至0.60的范围内逐渐变化时，计算预期将在芯构件与电极基础构件之间产生的应力。以与上述实施例相同的方式，这个应力被确定为在芯构件与电极基础构件之间的边界中的最大应力。图11是该分析结果的图。

如图11所示，芯构件与电极基础构件之间的最大应力随着模型的线膨胀系数增大而变大。当比Vb/(Va+Vb)降到低于近似为0.40的临界值时，各模型均显示为具有大致恒定的最大应力。当芯构件的体积Vb之比Vb/(Va+Vb)超过这个临界值时，各模型中Vb/(Va+Vb)值越大，最大应力越高。线膨胀系数为30×10^-6[1/K]的模型示出比其他模型增大的最大应力增长率(即，图11中的图形的坡度)。基于此，本申请的发明人预期，通过将在800℃下线膨胀系数低于25×10^-6[1/K]的材料用作芯构件，能够抑制在中心电极接收热量时产生的内应力的升高。

实施例7

中心电极20的前端部22或绝缘体10的前端部11从金属壳50的前端面57突出的量越大，接收到的热量越大。因此，为了有效地防止熔融接合部95产生凹坑，需要具有改善的散热性能的中心电极。因此，关于比Vb/(Va+Vb)与熔融接合部95的温度之间的关系随着熔融接合部95的基端从金属壳50的前端面57突出的长度的改变，即随着熔融接合部95的基端的位置与金属壳50的前端面57的位置之间在轴线O方向上的距离“A”(参见图2)的差异如何变化，进行评价试验。在该评价试验中，准备了多个火花塞样本，对于外径d为1.9mm的中心电极，通过组合形成为使得比Vb/(Va+Vb)在0.05至0.20的范围内变化的芯构件与形成为使得熔融接合部的基端从金属壳的前端面突出的长度在-0.5mm至4mm的范围内的熔融接合部，生产这些样本。在各样本中埋设有温度传感器，以测量熔融接合部的温度。之后，将各样本安装在实际车辆中，并在进行预定的运行试验同时测量熔融接合部的温度(参见图12)。

在该评价试验的结果中，通过根据金属壳的前端面与熔融接合部的基端之间在轴线O方向上的长度(即，图2中示出的距离“A”)差异，将比Vb/(Va+Vb)与熔融接合部的温度之间的关系分为若干组，对这些关系进行确认。结果，如图12所示，获得了近似直线，其中比Vb/(Va+Vb)越大，熔融接合部的温度越低。另外，本申请的发明人发现金属壳的前端面与熔融接合部的基端之间在轴线O方向上的长度越大，每条近似直线的坡度越陡。另外，本申请的发明人发现比Vb/(Va+Vb)的差异并不会使得熔融接合部的温度产生大差异，且在金属壳的前端面与熔融接合部的基端之间在轴线O方向上的长度小于1mm的样本中，温度能够被保持为在近似950℃没有实质的改变。另一方面，而在具有1mm或更大的长度的样本中，比Vb/(Va+Vb)越大，熔融接合部的温度能被控制为越低。换句话说，已经发现，如果熔融接合部的基端的位置位于比金属壳的前端面的位置在轴线O方向上靠近火花塞的前端1mm或以上的位置处，则中心电极的散热性能能得到改善，利用比Vb/(Va+Vb)与中心电极的外径d之间的关系根据上述关系式(1)和(2)而固定的中心电极，能获得非常有利的效果。

实施例8

接着，关于熔融接合部95的温度随着熔融接合部95的基端与芯构件25的前端之间在轴线O方向上的距离B(参见图2)的变化如何变化，进行评价试验。在该评价试验中，准备多个火花塞样本。这些样本的外径d为1.9mm，比Vb/(Va+Vb)为0.26，且熔融接合部95的基端与芯构件25的前端之间在轴线O方向上的不同距离B(参见图2)在0至0.9mm的范围内。在各样本中埋设有温度传感器，然后将各样本安装到实际车辆中进行预定的运行试验，并测量熔融接合部的温度(参见图13)。

如图13所示，本申请的发明人发现熔融接合部的温度随着熔融接合部95的基端与芯构件25的前端之间在轴线O方向上的距离B(参见图2)差异减小而下降，当距离B为0.5mm以下时，熔融接合部95的温度突然下降到低于950℃的温度。也就是说，本申请的发明人发现当熔融接合部的基端与芯构件25的前端之间在轴线O方向上的距离B设定为0.5mm以下时，能获得散热性能得到进一步改善的中心电极。

当然，也可以对本发明进行各种修正。例如，作为中心电极20的组成部件的电极基础构件21的材料和芯构件25的材料分别为镍或包含镍作为主要成分的合金和铜或包含铜作为主要成分的合金。然而，除了上述金属性材料之外的其他金属性材料也可以用于电极基础构件21和芯构件25。例如，可以结合使用在耐火花损耗性(spark wear resistance)方面优异的金属(例如，铁合金)和导热性高于电极基础构件21的金属(例如银合金)。

尽管根据本发明的实施例给出了以上描述，本发明不限于此。实质上，当然地，可以在不脱离所附的权利要求书的精神和范围的情况下，采用实现本发明公开的原理的各种方式。

本申请基于2007年11月21日提交的日本专利申请No.2007-301852，该日本专利申请的全部内容通过引用结合于此。

Claims (5)

1.一种火花塞，其包括：

中心电极，该中心电极从其前端向其基端沿轴向延伸，并且包括电极基础构件和设置在该电极基础构件内部的芯构件，该芯构件具有比所述电极基础构件的导热性高的导热性；

电极头，该电极头包含作为主要成分的贵金属，所述电极头经由熔融接合部结合到所述中心电极的前端部，所述电极头和所述中心电极在所述熔融接合部中熔合，该熔融接合部从其前端向其基端沿轴向延伸，其中，该熔融接合部的基端是指所述熔融接合部在轴向上的最基端的位置；

绝缘体，该绝缘体具有沿轴向延伸的轴孔，该绝缘体在所述轴孔中将所述中心电极保持在所述轴孔的前端侧部上；

金属壳，该金属壳从其前端向其基端沿轴向延伸，并且包围和保持所述绝缘体的径向外周；以及

接地电极，该接地电极一端结合到所述金属壳的前端面并且另一端限定所述电极头和所述接地电极之间的火花放电间隙；

其中，满足下面的关系(1)和(2)：

d≤2.1mm...(1)；以及

-0.09×d+0.33＜Vb/(Va+Vb)＜-0.2×d+0.75...(2)

其中：

d为所述中心电极在轴向上比所述熔融接合部的基端靠近所述中心电极的基端4mm的位置处的以毫米为单位的外径的数值；

Va是沿平面P和Q切割的所述中心电极的所述电极基础构件的体积；

Vb是沿平面P和Q切割的所述中心电极的所述芯构件的体积；

其中：所述平面P被定义为经过所述熔融接合部的基端并与轴向垂直的平面，所述平面Q被定义为经过在轴向上朝向基端侧距离所述平面P位置4mm的位置并且与轴向垂直的平面。

2.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述中心电极的所述芯构件具有在800℃下为25×10^-6K^-1以下的线膨胀系数。

3.根据权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，所述熔融接合部的基端处于在轴向上比所述金属壳的前端面靠近所述中心电极的前端1mm以上的位置处。

4.根据权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，在轴向上限定在所述熔融接合部的基端与所述芯构件的前端之间的距离为0.5mm以下。

5.根据权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，

所述金属壳的外周面具有固定螺纹部，该固定螺纹部具有可旋拧到内燃机的内螺纹固定螺纹孔上的螺纹部，以及

所述固定螺纹部具有12mm以下的公称直径。

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