CN101569070A

CN101569070A - 火花塞

Info

Publication number: CN101569070A
Application number: CNA2008800013606A
Authority: CN
Inventors: 福泽怜门; 加藤友聪; 铃木彰
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2007-09-17
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2028-09-10
Also published as: WO2009038001A1; EP2200133A4; EP2200133B1; KR101010123B1; JP4405572B1; US8217561B2; KR20090087936A; US20100019644A1; CN101569070B; JP2010080059A; EP2200133A1

Abstract

本发明的火花塞被设计成小直径火花塞，该火花塞包括：金属壳，其具有形成有公称直径为基于JIS标准的M12以下的安装螺纹；接地电极，其由从该接地电极的一个端部向另一个端部延伸的第一结构构件和被层状覆盖第一结构构件的外表面的至少一个第i结构构件(i＝2，3，4，5)构成，接地电极的另一个端部从金属壳的前端面突起的长度为4.5mm以上，接地电极具有形成在接地电极的一个端部和另一个端部之间的曲率半径为2.3mm以下的弯曲部；以及电极头，该电极头在面对中心电极的前端部的位置被接合到接地电极的另一个端部，并且电极头的突出长度为0.5mm以上，截面积为0.20mm²至1.13mm²。通过以控制接地电极的由公式(1)表示的在20℃的总导热率X为35W/(m·K)以上的方式来选择接地电极的结构构件的材料，可以增加接地电极的散热能力并且防止接地电极的金属疲劳强度的降低。

Description

火花塞

技术领域

本发明涉及一种火花塞，该火花塞具有：形成有至少一层高导热性材料内层的接地电极；以及与接地电极接合的针状电极头。

背景技术

已知一种火花塞，其包括：中心电极；接地电极；以及针状电极头，该电极头被接合到接地电极的面对中心电极的端部的内面(侧面)并且在该电极头和中心电极之间限定火花放电间隙。与传统的火花塞相比，该类型的火花塞允许接地电极距离火花放电间隙较远，并且减小火花放电间隙中产生的火焰核在火焰生长的初期阶段与接地电极接触的趋势。从而，可以降低接地电极的猝灭效应(quenching effect)，并且可以提高火花塞的点火性能。然而，随着电极头被加热到高温，这种火花塞的耐火花损耗性降低。鉴于这种情况，专利文献1提出在火花塞的接地电极中设置导热性高的芯材以迅速地散发从电极头传来的热量。

在上述火花塞的情况下，针状电极头被接合到接地电极，接地电极需要比传统的接地电极长所述电极头的长度。虽然，近来，为了实现发动机小型化和高性能化，已有减小火花塞的尺寸和直径的需求，但是这种火花塞的直径减小导致接地电极和火花放电间隙之间的径向距离比传统的火花塞更小。为了防止接地电极干扰火花放电间隙中的火焰核的生长，需要在某种程度上确保接地电极与火花放电间隙之间在与火花放电间隙对应的位置处的径向距离。换句话说，为了使接地电极的端部面对中心电极并同时防止接地电极干扰火焰核生长，期望不仅确保接地电极的轴向延伸部，而且还应当通过增加弯曲部的弯曲度(即，通过减小接地电极的内面的曲率半径)来使接地电极的弯曲部的位置尽可能靠前。

专利文献1：日本特开2005-135783号公报

然而，接地电极的弯曲部中产生的内应力可能随着弯曲部的内面的最小曲率半径的变小而增加。此外，接地电极的重量随着接地电极的长度而增加，使得在接地电极的增加的重量及接合到接地电极的端部的电极头的重量下，在发动机驱动期间由于振动而在弯曲部中产生的内应力变得较大。另一方面，由于接地电极的散热路径(即，从接地电极的另一端部到所述端部接着到金属壳的散热路径)随着接地电极的长度而增加，接地电极的散热能力降低。因而，在接地电极在热负荷下金属疲劳强度降低的状态下，特别是在弯曲部中，出现内应力超过疲劳极限而产生折损的可能。这可以导致接地电极耐折损性劣化。

发明内容

为解决上述问题而作出本发明。本发明的一个目的是提供一种具有接地电极的火花塞，该接地电极能够更好地确保散热以防止接地电极的金属疲劳强度降低，防止接地电极的容易发生应力集中的弯曲部中发生折损，从而提高接地电极的耐折损性。

根据本发明的一个方面，提供一种火花塞，该火花塞包括：中心电极；陶瓷绝缘体，该陶瓷绝缘体具有沿轴向延伸的轴孔并且将所述中心电极保持在所述轴孔中；金属壳，该金属壳围绕所述陶瓷绝缘体的径向外周并且将所述陶瓷绝缘体保持在所述金属壳中；接地电极，该接地电极的一个端部被接合到所述金属壳的前端面，并且所述接地电极具有以所述接地电极的另一个端部面对所述中心电极的前端部的方式形成在所述接地电极的所述一个端部和所述另一个端部之间的弯曲部；以及电极头，该电极头在面对所述中心电极的所述前端部的位置被接合到所述接地电极的所述另一个端部，并且所述电极头具有从所述接地电极的所述另一个端部突出0.5mm以上的突出长度，且所述电极头具有0.20mm²至1.13mm²的截面积，所述接地电极由从所述接地电极的所述一个端部向所述另一个端部延伸的第一结构构件和层状覆盖所述第一结构构件的外表面的至少一个第i结构构件(i＝2，3，4，5)构成；所述弯曲部的面对所述中心电极的侧面的最小曲率半径为2.3mm以下；所述接地电极的所述另一个端部的从所述金属壳的所述前端面沿轴向突出最多的部位的突出长度为4.5mm以上；所述金属壳具有形成有基于JIS标准的M12以下的公称直径的安装螺纹；以及所述接地电极的由公式(1)表示的在20℃的总导热率X为35W/(m·K)以上

(1)

其中，n是表示所述接地电极的所述结构构件的最大数目的整数2至5。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的火花塞100的局部剖视图。

图2是根据本发明的一个实施方式的包括中心电极20的前端部22的火花塞100的部分放大图。

图3是示出接地电极的弯曲部的弯曲度(曲率半径R)与接地电极的寿命(折损前的循环数)之间的关系的图。

图4是示出接地电极的总导热率X与接地电极的寿命(折损前的循环数)之间的关系的图。

图5是示出接地电极从金属壳的前端面突出的长度L与接地电极的寿命(折损前的循环数)之间的关系的图。

图6是示出接地电极的总抗拉强度Y与接地电极的寿命(折损前的循环数)之间的关系的图。

具体实施方式

下面将参照附图详细说明根据本发明的一个典型实施方式的火花塞100。这里，将火花塞100的轴线O的方向定义为图1和图2中的上下方向，下侧对应于火花塞100的前端侧，上侧对应于火花塞100的后端侧。

如图1所示，火花塞100通常包括：形成有轴孔12的陶瓷绝缘体10；保持在轴孔12前端侧的中心电极20；保持在轴孔12后端侧的金属端子40；以及包围陶瓷绝缘体10的径向外周的金属壳50。火花塞100还包括接地电极30，该接地电极30的一个端部被接合在金属壳50的前端面57，并且该接地电极30以接地电极30的另一个端部(前端部31)面对中心电极20的方式弯曲。

陶瓷绝缘体10如公知的那样由烧结氧化铝等制成，并形成为圆筒状，其中，轴孔12沿着轴线O的方向贯穿陶瓷绝缘体10的中心地延伸。陶瓷绝缘体10包括：位于轴线O的方向上的大致中央位置并且具有最大外径的凸缘部19；位于凸缘部19后端侧(图1中的上侧)的后端侧体部18；位于凸缘部19的前端侧(图1中的下侧)并且具有比后端侧体部18的外径小的外径的前端侧体部17；以及位于前端侧体部17的前端侧并且具有比前端侧体部17的外径小的外径的脚部13。脚部13的直径朝前端侧逐渐减小，在火花塞100被安装到内燃机的气缸盖(未示出)的状态下，脚部13暴露到内燃机的燃烧室的内部。陶瓷绝缘体10还包括位于脚部13与前端侧体部17之间的台阶部15。

中心电极20被设计成具有母材(body material)和芯材25的棒状电极，所述母材为如Inconel 600或Inconel 601(商标)等镍或镍基合金，芯材25由比母材的导热性高的铜或者铜基合金制成并被埋设在母材中。中心电极20被保持在陶瓷绝缘体10的轴孔12的前端侧，并且中心电极20的前端部22从陶瓷绝缘体10的前端向前端侧突出。中心电极20的前端部22的直径朝前端侧减小。为了提高耐火花损耗性，贵金属电极头90被接合到中心电极20的前端部22的前端面。

在陶瓷绝缘体10的前端部附近的位置，轴孔12的内周面与中心电极20的面对轴孔12的内周面的外周面之间具有小间隙(参照图2)。在熏烧状态(smoldering state)下，在该间隙中产生电晕放电从而烧掉附着在陶瓷绝缘体10的前端部的碳并且恢复陶瓷绝缘体10的绝缘电阻。中心电极20沿着轴孔12向后端侧插入并且通过陶瓷电阻器3和密封构件4电连接到金属端子40。通过插头(未示出)将高压电缆(未示出)连接到金属端子40从而向金属端子40施加高电压。

如图1所示，金属壳50被设计成用于在将陶瓷绝缘体10的从后端侧体部18的一个端部至脚部13的部分包围在金属壳50中以保持陶瓷绝缘体10的状态下将火花塞100固定到内燃机的气缸盖的圆筒状配件(fitting)。金属壳50由低碳钢制成并且具有工具接合部51和安装螺纹部52，该工具接合部51形成为与火花塞扳手(未示出)接合，安装螺纹部52形成有用于旋拧到发动机气缸盖(未示出)的安装孔中的螺纹。

此外，金属壳50具有形成在工具接合部51和安装螺纹部52之间的凸缘密封部54。在安装螺纹部52和密封部54之间设置螺纹颈59。在螺纹颈59上安装通过弯曲板材制成的环形垫圈5。在火花塞100被安装到发动机气缸盖(未示出)的安装孔中状态下，垫圈5在密封部54的支承面55和安装孔的开口边缘之间被挤压并且变形，以提供火花塞100和气缸盖之间的密封，以防止发动机内的气体通过安装孔泄漏。

金属壳50还具有：形成在工具接合部51后端侧的薄的弯边部53；以及以与弯边部53相同的方式形成在工具接合部51和密封部54之间的薄的压曲部58。环状环构件6和7被插入到陶瓷绝缘体10的后端侧体部18的外周面与金属壳50的工具接合部51和弯边部53的内周面之间。滑石粉(滑石)9被填充在环状环构件6和7之间。通过弯边以使弯边部53向内弯曲而经由环状环构件6和7和滑石9使陶瓷绝缘体10被压向金属壳50内的前端侧。如此，在金属壳50的内周面的与安装螺纹部52对应的位置处的台阶部56上经由环形板片密封垫8支撑陶瓷绝缘体10的台阶部15的状态下，将金属壳50和陶瓷绝缘体10结合为一体。此时，由板片密封垫8保持金属壳50与陶瓷绝缘体10之间的气密性以防止燃烧气体泄漏。利用弯边期间所施加的压缩力使压曲部58向外弯曲变形以增加滑石9沿着轴线O的方向的压缩长度并且提高金属壳50的气密性。

如图2所示，接地电极30形成为矩形截面的棒状。接地电极30的一个端部(基端部32)被接合到金属壳50的前端面57并沿着轴线O的方向延伸，而接地电极30被弯曲以形成弯曲部34使得接地电极30的另一个端部(前端部31)的一个侧面(内面33)面对中心电极20的前端部22。接地电极30具有由第一结构构件和层叠并覆盖在第一结构构件外表面的至少一层结构构件组成的层结构，接地电极30优选为2到5层结构构件的层结构。作为示例，在本实施方式中，接地电极30具有由第一结构构件35、层叠在第一结构构件35的外表面上的第二结构构件36和层叠在第二结构构件36的外表面上的第三结构构件37组成的层结构。第一结构构件35、第二结构构件36和第三结构构件37从接地电极30的基端部32向前端部31延伸。在第一结构构件35、第二结构构件36和第三结构构件37之中，第一结构构件35和第二结构构件36分别具有位于接地电极30的前端部31的内部而不暴露到外部的端部。也就是，至少接地电极30的弯曲部34具有三层结构构件被层叠在一起的三层结构(即，第一结构构件35的外表面被第二结构构件36和第三结构构件37双层覆盖)。

第一结构构件35由如镍、铁等单金属元素或它们的合金制成，并且起确保接地电极30的耐折损性和确保接地电极30与金属壳50之间的接合强度的作用。第二结构构件36由如铜、铁、银、金等单金属元素或者包含这几种元素中的任一种作为主要成分的导热性高的合金制成，并且起到将施加到接地电极30上的热量和施加到在接地电极30的前端部31上的电极头95上的热量传递到金属壳50的作用。第三结构构件37由具有高耐腐性和高刚性的如Inconel 600或Inconel 601(商标)等镍合金制成，并且起到在接地电极30在燃烧室中受到反复的空气-燃料混合物燃烧时，抑制接地电极30的氧化并耐燃烧压力以防止接地电极30的折损的作用。

电极头95被接合到接地电极30的前端部31并且使该电极头95从接地电极30的前端部31的内面33以针状形式突出并且面对被接合到中心电极20的前端部22的电极头90，从而在电极头90和95之间限定火花放电间隙G。电极头95由具有高耐火花损耗性的如铂、铱或铷等贵金属制成，并且电极头95被形成为截面积(沿与电极头95的突出方向垂直的方向截取的截面积)S为0.20至1.13mm²并且突出长度(电极头95从内面33向火花放电间隙G突出的长度)H为0.5mm以上的棒状。由于电极头90和95分别从中心电极20和接地电极30突出，可以在两个电极之间的火花放电间隙G中积极地产生火花放电并且防止产生的火焰核在火焰生长的初期阶段与接地电极30接触并且被接地电极30猝灭。

本实施方式的上述结构的火花塞100被制成为小直径使得金属壳50的安装螺纹部52的螺纹具有基于JIS B8031(1995)的M12以下的公称直径。在该火花塞100中，使中心电极20和接地电极30之间的径向距离更小。因而，弯曲部34的弯曲度以确保接地电极30的沿着轴线O的方向延伸的部分并且允许接地电极30尽可能在前端侧被弯曲的方式增大。更具体地，将弯曲部34的弯曲度控制成曲率半径R为2.3mm以下，其中，曲率半径R是接地电极30的弯曲部34的内面33的最小曲率半径R(如图中双点划线所示)。换言之，曲率半径(最小曲率半径)R被定义为最小曲率半径部分的曲率半径，即当沿着包括轴线O和沿与接地电极30的长度方向垂直截取的截面的中心的平面截取的截面观察接地电极30时，弯曲部34的内面33的弯曲度最大的部分的曲率半径。为了方便起见，在下文中将接地电极的弯曲部的内面的最小曲率半径称为“曲率半径”。

如稍后实施例1所证实的那样，当曲率半径R大于2.3mm时，接地电极30的弯曲部34中的内应力的程度原本较低，使得接地电极30的寿命(在高负荷作用下接地电极30折损之前的循环数)在内应力的影响下不会明显地降低。然而，当曲率半径为2.3mm以下从而小于传统水平时，接地电极30的弯曲部34中的内应力的程度变大，使得接地电极30的寿命可能由于弯曲部34中的内应力的增加而受到影响。

此外，当电极头95是平板状并且重量比针状电极头的重量轻时，发动机驱动期间弯曲部34上的振动负荷的影响也较小。然而，当具有截面积为0.20至1.13mm²和突出长度H为0.5mm以上的针状电极头95被接合到接地电极30的端部(前端部31)时，施加到接地电极30的该端部的重量增加，使得在接地电极30受到发动机驱动期间的振动负荷时，在电极头95的重量作用下负荷将作用在弯曲部34上使得内应力可能增加。

这样，在具有针状电极头95的接地电极30被应用到小直径火花塞100的情况下，特别是在弯曲部34中内应力可能增大。即使在这种情况下，通过增加接地电极30的散热能力并且降低接地电极30的热应力，接地电极30能够确保金属疲劳强度，使得弯曲部34中的内应力不太可能超过疲劳极限。这明显地增强了接地电极30的耐折损性并且明显地延长了接地电极30的寿命。更具体地，当接地电极30具有两层以上结构构件的层结构时，通过使以如下通式(1)表示的接地电极30在20℃下的总导热率X为35W/(m·K)以下的方式选择接地电极30的结构构件的材料，不管各结构构件的组成比率如何，都可以增强接地电极30的散热能力并且延长接地电极30的寿命。

(1)

其中，n是表示接地电极的结构构件的最大数目的整数2至5。

在本实施方式的接地电极30具有第一结构构件35、第二结构构件36和第三结构构件37的三层结构的情况下，接地电极30在20℃的总导热率X如下面的方程式所示：

X＝[{v1/(v1+v2+v3)}×x1]+[{v2/(v1+v2+v3)}×x2]

+[{v3/(v1+v2+v3)}×x3]

其中，x1、x2和x3(W/(m·K))分别是第一结构构件35、第二结构构件36和第三结构构件37在20℃的导热率；v1、v2和v3(mm³)分别是第一结构构件35、第二结构构件36和第三结构构件37的体积。

例如可以通过由X-射线光谱学技术等在接地电极30的整个长度上每隔一定间隔(例如1mm)进行截面分析、计算每个截面的各结构构件的面积、求得各个结构构件的截面面积的积分，来确定接地电极30的各结构构件的体积。

如稍后实施例2将证实的那样，当接地电极30的总导热率X在20℃为35W/(m·K)以上时，接地电极30允许施加到接地电极30和电极头95上的热量充分地逃逸到金属壳50，并且防止金属疲劳强度的热劣化。从而，接地电极30能够提高内应力特别可能增加的弯曲部34的耐折损性，并且即使在发动机驱动期间反复的加热和冷却循环中也能获得充分地延长寿命的效果。

另一方面，为了确保中心电极20的前端部22上的电极头90与接地电极30的前端部31上的电极头95之间的火花放电间隙G的充分大的尺寸，期望接地电极30的前端部31沿轴线O的方向从金属壳50的前端面57突出更多。然而，当接地电极30的整个长度(从前端部31到基端部32)、即接地电极30的散热路径的长度随着接地电极30的前端部31沿轴线O的方向从金属壳50的前端面57突出的长度L的增加而增加时，金属疲劳强度可能由于受热而劣化。另外，接地电极30的重量随着突出长度L的增长而增加。因而，弯曲部34中的内应力可能在接地电极30受到发动机驱动期间的振动负荷时增大。即使在该情况下，也可以通过将接地电极30的总导热率X设定为35W/(m·K)以上来防止金属疲劳强度的热劣化并且充分地延长接地电极30在发动机驱动期间反复的加热和冷却循环中的寿命。当接地电极30的长度短，并且突出长度L小于4.5mm时，散热路径太短，使得接地电极30的寿命原本不太可能受突出长度L的影响。如稍后的实施例3所证实的那样，当突出长度L为4.5mm以上时，延长接地电极30的寿命的效果是显著的。

此外，已知高导热性材料的抗拉强度通常较低。当接地电极30使用低抗拉强度的材料来获得高的散热能力时，接地电极30的耐折损性变低。因而，优选将由如下通式(2)表示的接地电极30在20℃的总抗拉强度Y控制为55kgf/mm²。

(2)

其中，n是表示接地电极的结构构件的最大数目的整数2至5。

由于本实施方式的接地电极30具有第一结构构件35、第二结构构件36和第三结构构件37的三层结构，接地电极30在20℃的总抗拉强度Y如下面的方程式表示：

Y＝[{v1/(v1+v2+v3)}×y1]+[{v2/(v1+v2+v3)}×y2]+[{v3/(v1+v2+v3)}×y3]

其中y1、y2和y3(kgf/mm²)分别是第一结构构件35、第二结构构件36和第三结构构件37在20℃的抗拉强度。

如将由实施例4所证实的那样，通过将接地电极30在20℃的总抗拉强度Y设定成高于55kgf/mm²，无论各层叠结构构件的组成比率如何，都可以在耐折损性不降低的情况下充分地增加接地电极30的散热能力并且延长接地电极30的寿命。当接地电极30的总抗拉强度Y在20℃低于或等于55kgf/mm²时，接地电极30可能不能达到高刚度，并且不能获得与总导热率X的增加相当的提高寿命的效果。

还优选地，接地电极30的弯曲部34的侧面(内面33)的最小曲率半径R为1.0mm以上。当曲率半径小于1.0mm时，弯曲部34中的内应力由于弯曲部34的大弯曲度而增大，使得即使增强接地电极30的散热能力以减小热负荷并且确保金属疲劳强度仍可能难以增加接地电极30的耐折损性并且难以延长接地电极30的寿命。

还优选地，由所谓的导热性良好的材料制成的接地电极30的任一结构构件的体积占接地电极30的总体积的比率在12.5％至57.5％的范围内。这里，导热性良好的材料具体指的是在20℃的导热率为50W/(m·K)以上的材料。根据上述通式(1)可以说，接地电极30的总导热率X随着接地电极30的由导热性高(良好)的材料制成的任一结构构件的体积占接地电极30的总体积的比率的减小而减小。如稍后由实施例5所证实的那样，当接地电极30的由导热性良好的材料制成的任一结构构件的体积占接地电极30的总体积的比率小于12.5％时，接地电极30的总导热率变低而导致散热能力下降，使得难以降低弯曲部34上的热负荷并且难以确保接地电极30的耐折损性。根据上述通式(2)可以说，接地电极30的总抗拉强度Y随着接地电极30的由导热性高(良好)的材料制成的任一结构构件的体积占接地电极30的总体积的比率的增大而减小。如稍后由实施例5所证实的那样，当接地电极30的由导热性良好的材料制成的任一结构构件的体积占接地电极30的总体积的比率大于57.5％时，接地电极30的总抗拉强度变低而使得可能难以为弯曲部34提供抵抗内应力的充分的屈服强度并且难以确保接地电极30的耐折损性。由于这些原因，可以通过将上述体积比率控制在12.5％至57.5％的范围内来更可靠地确保接地电极30的耐折损性。

如图2所示，期望将接地电极30的与中心线P垂直地截取的截面的面积控制在1.5mm²至5.0mm²的范围内，该中心线P通过接地电极30的与从基端部32至前端部31的方向垂直地截取的截面的中心。通过成形用于各结构层构件的杯状原料，顺次地将这些原料放到一起，接着挤压得到的材料层叠体来制成具有两层以上结构构件的层结构的接地电极30。当接地电极30的与中心线P垂直地截取的截面的面积小于1.5mm²时，接地电极30较薄，使得接地电极30的结构层构件厚度较薄。在这种情况下，即使利用高抗拉强度的材料形成接地电极，也可能难以确保接地电极30的耐折损性。当接地电极30的与中心线P垂直地截取的截面的面积大于5.0mm²时，接地电极太厚，使得由于难以弯曲接地电极30以形成弯曲部34而可能难以确保接地电极30的生产性。通过将接地电极30的与中心线P垂直地截取的截面的面积控制在1.5mm²至5.0mm²，能够确保接地电极30的耐折损性和生产率的提高。

当接地电极30的在20℃具有最高导热率的一个结构构件(在本实施方式中为第二结构构件36)被接地电极30的在20℃具有低于50W/(m·K)的导热率的任一其他结构构件覆盖时，也期望以满足5.5mm≤C＜B≤A≤11.5mm的条件的方式控制接地电极30的长度、接地电极30的在20℃具有最高导热率的结构层构件的长度和电极头95的接合位置，在上述条件中，如图2所示，A是接地电极30的沿着经过接地电极30的与从一个端部(基端部32)到另一个端部(前端部31)的方向垂直地截取的截面的中心的第一中心线P的长度；B是当经过电极头95的与电极头95的从前端部31朝火花放电间隙G突出的方向垂直地截取的截面的中心的第二中心线Q被投影在包括第一中心线P的平面时，沿着第一中心线P从第一中心线P与第二中心线Q的交点到基端部32的边缘的长度；C是在20℃具有最高导热率的结构层构件沿着第一中心线P从基端部32的边缘到前端部31的长度。

如果不满足C＜B的条件，至少接地电极30的在20℃具有最高导热率的结构层构件位于电极头95的在接地电极30的前端部31的内面33上的接合位置的正下方(即，在接合位置沿着中心线Q被投影的范围内)。在火花塞100的制作过程中在将接地电极30和电极头95接合到一起时，施加到接合位置的焊接热可以容易地散热。如果施加的焊接热不充分，接地电极30和电极头95之间的熔融部的形成受到妨碍，使得电极头95可能不能充分地被接合。

如果增加接地电极30的总长度以满足A＞11.5mm的条件，基端部32的重量对弯曲部34的影响也随着接地电极30的前端部31的尺寸变大而增大。因而，弯曲部34中的内应力可能将在接地电极30受到发动机驱动期间的振动负荷时增加。这使得难以确保接地电极30的耐折损性。如果降低接地电极30的总长度以满足A＜5.5mm的条件，基端部32的重量对弯曲部34的影响也随着接地电极30的前端部31的尺寸变小而减小。这使得能够减小弯曲部34的内应力并且确保接地电极30的耐折损性，但是使得难以通过减小热负荷和确保金属疲劳强度来提高接地电极30的耐折损性。

将参照以下实施例更详细地说明本发明。然而，应当注意，下面的实施例仅是说明性的，而非用于限定本发明。

[实施例1]

在实施例1中，进行评价试验以验证接地电极30的弯曲部34的弯曲度与接地电极30的寿命之间的关系。对于该评价试验，制备多个接地电极，每个接地电极均具有由第一、第二和第三结构构件组成的三层结构并且示出由公式(1)所确定的15W/(m·K)或45W/(m·K)的总导热率X。此外，制备截面积S为0.38mm³(

0.7mm)且突出长度H为0.8mm的针状电极头和截面积S为0.38mm³且突出长度H为0.2mm的平板状电极头，并且该针状电极头和平板状电极头与具有上述总导热率X的两种接地电极接合。使用这些带电极头的接地电极组装火花塞样品。在每个火花塞样品中，通过将接地电极的内面的曲率半径R控制在0.5mm至3.0mm的范围内，对接地电极进行弯曲以形成弯曲部并且限定火花放电间隙G。通过将如此制成的火花塞样品安装在450cc单汽缸试验发动机中，并且通过根据无负荷空转模式(no-load racing pattern)驱动该发动机以向火花塞样品施加热负荷和振动负荷来进行评价试验。该无负荷空转模式是在一个冲程中将发动机从空转状态转换到全油门状态(full-throttle state)(8000rpm)接着将发动机转换回空转状态的试验模式。由于接地电极能够受到相对大的振动负荷，所以根据无负荷空转模式的样品试验适于接地电极的耐折损性评价。通过将一次该驱动模式作为一个循环，对每个测试样品进行接地电极的折损前的循环数(接地电极的寿命)试验。试验结果如图3所示。

如图3所示，在接地电极的总导热率X为45W(m·K)并且接合有平板状电极头的情况下，当弯曲部的曲率半径R是1.0mm时接地电极的寿命大约为90000循环，当弯曲部的曲率半径R是1.5mm以上时接地电极的寿命大约为100000循环(如线图115所示)。在该接地电极的总导热率X变为15W(m·K)的情况下，当弯曲部的曲率半径R大于1.5mm时接地电极的寿命与总导热率X为45W(m·K)的情况下的接地电极的寿命大致相同，并且当弯曲部的曲率半径R为1.5mm以下时接地电极的寿命下降(如线图116所示)。在接地电极的总导热率X为45W(m·K)并且接合有针状电极头的情况下，相比之下，接地电极的寿命与接合有平板状电极头的情况下的接地电极的寿命大致相同(如线图111所示)。在该接地电极的总导热率X变为15W(m·K)的情况下，当弯曲部的曲率半径R大于2.3mm时该接地电极的寿命与总导热率X为45W(m·K)的情况下的接地电极的寿命大致相同，并且当弯曲部的曲率半径R为2.3mm以下时该接地电极的寿命下降(如线图112所示)。在每种类型的样品中，当弯曲部的曲率半径R为0.5mm时，接地电极的寿命下降得相当多。当弯曲部的曲率半径R为0.5mm时，除了接地电极的总导热率X为45W(m·K)并且接合有平板状电极头的情况之外，接地电极的寿命低于大约60000循环，即使在接合有平板状电极头的情况下接地电极的寿命也仅为大约80000循环。

在接地电极的总导热率X为45W(m·K)并且显示出良好的散热能力的情况下，接合有平板状电极头的接地电极的寿命(线图115)和接合有针状电极头从而引起重量增加的接地电极的寿命(线图111)之间差别很小。然而，在接地电极的总导热率X为15W(m·K)的低水平的情况下，接合有引起重量增加的针状电极头的接地电极的寿命(线图112)比接合有平板状电极头的接地电极的寿命(线图116)有更大程度的下降。从线图115和线图116的比较可以看出，当弯曲部的曲率半径R大于1.5mm时，即使接地电极的总导热率X降低并且未显示出良好的散热能力，接合有平板状电极头的接地电极的寿命的下降也很小。同样地，从线图111和线图112的比较可以看出，当弯曲部的曲率半径R大于2.3mm时，即使接地电极的总导热率X降低，接合有针状电极头的接地电极的寿命的下降也很小。随着弯曲部中的内应力随着弯曲部的曲率半径R的减小而增大，接地电极在热负荷下的金属疲劳强度降低而变得更易于折损。这导致了接地电极的寿命降低。因此，已经表明：当接地电极接合有比平板状电极头施加更大重量负荷的针状电极头并且形成有曲率半径R为2.3mm以下的弯曲部时，通过提高接地电极的总导热率X并且增加接地电极的散热能力可以使接地电极获得更大的寿命延长效果。

当弯曲部的曲率半径R小于1.0mm时，无论接地电极是否具有45W(m·K)的有利的总导热率X，接地电极的寿命均小于约90000循环。这是因为接地电极的由于大弯曲度而引起的弯曲部中的内应力增加导致的寿命降低效果大于通过总导热率X的增加和散热能力的提高而获得的寿命延长效果。

[实施例2]

在实施例2中，进行评价试验以验证接地电极30的总导热率X与接地电极30的寿命之间的关系。对于该评价试验，制备多个接地电极，每个接地电极均具有如实施例1的情况那样的第一、第二和第三结构构件的三层结构并且示出由公式(1)所确定的15W/(m·K)至110W/(m·K)的范围内的总导热率X。这里，对于每个导热率水平X制备三个接地电极。此外，制备截面积S为0.38mm³(0.7mm)且突出长度H为0.8mm的针状电极头并将其接合到各接地电极上。通过以将每个导热率水平X的接地电极的内面曲率半径R控制为三个不同的水平：1.0mm、1.5mm和2.0mm的方式在接地电极中形成弯曲部来完成火花塞样品。通过根据与实施例1的情况相同的无负荷空转模式向如此制成的火花塞样品施加热负荷和振动负荷来进行评价试验。对每个测试样品进行接地电极的折损前的循环数(接地电极的寿命)试验。将接地电极的总导热率X为15W/(m·K)的样品作为基准样品，并且将基准样品的循环数规格化为0。根据曲率半径R计算和概括每个样品的循环数相对于基准样品的循环数的增加量。试验结果如图4所示。

如图4所示，无论弯曲部的曲率半径R被控制到何种水平，通过增加总导热率X和增强散热能力可以延长接地电极的寿命(线图121、122和123)。接地电极的寿命延长效果随着弯曲部的曲率半径R的减小而更显著。这也可以通过实施例1的线图111和112的比较结果而得到验证。因而，已经表明：接地电极的寿命延长度，也就是接地电极的耐折损性延长效果，随着弯曲部的曲率半径R的减小而增大。

从弯曲部的曲率半径R是1.0mm的样品的试验结果(线图121)和从弯曲部的曲率半径R是1.5mm的样品的试验结果(线图122)可以看出，接地电极的寿命延长效果随着总导热率X的增大而增大，并且当接地电极的总导热率X为35W/(m·K)以上时，接地电极的寿命延长效果显著增大。已经表明：为了提高接地电极的耐折损性，期望将接地电极的总导热率X控制为35W/(m·K)以上。无论弯曲部的曲率半径R被控制到何种水平，当弯曲部的总导热率X为45W/(m·K)以上时，接地电极的寿命延长效果饱和。

[实施例3]

在实施例3中，进行评价试验以验证接地电极30的从金属壳50的前端面57的突出长度L与接地电极30的寿命之间的关系。对于该评价试验，制备多个接地电极，每个接地电极均具有如实施例1的情况那样的第一、第二和第三结构构件的三层结构并且示出由公式(1)所确定的15W/(m·K)或45W/(m·K)的总导热率X。这些接地电极被切成的整个长度使得接地电极被弯曲以形成曲率半径R为1.5mm的弯曲部并且将接地电极的突出长度L控制在4.0mm至10.0mm的范围内(参见图2)。制备截面积S为0.38mm³且突出长度H为0.8mm的针状电极头，并将制备的电极头接合到各接地电极。利用接地电极的弯曲部的曲率半径R被控制到1.5mm且接地电极的突出长度L被控制到4.0mm至10.0mm的这些带电极头的接地电极来完成火花塞样品。在每个样品中，火花放电间隙G被固定到给定尺寸。通过调整中心电极和陶瓷绝缘体从金属壳的前端面的突出长度来控制依赖于接地电极的突出长度L的火花放电间隙G的位置。通过根据与实施例1的情况相同的无负荷空转模式对如此制成的火花塞样品施加热负荷和振动负荷来进行该评价试验。对每个试验样品进行接地电极的折损前的循环数(接地电极的寿命)试验。试验结果示出在图5中。

如图5所示，在接地电极的总导热率X为45W/(m·K)的情况下，当突出长度L超过9.5mm时，接地电极的寿命急剧下降。当突出长度L为9.5mm以下时(线图131)，接地电极的寿命大致平稳，而未显示出明显的下降。可以说，当总导热率X高时即使散热路径的长度增加，接地电极也可以获得充分的散热能力，防止金属疲劳强度的降低并且确保高耐折损性。相比之下，在接地电极的总导热率X为15W/(m·K)的情况下，存在以下趋势：当突出长度L达到4.5mm时，接地电极的寿命下降约20000循环，而当突出部L超过6.0mm时，接地电极的寿命进一步急剧下降(线图132)。已经证实，当接地电极的突出长度L为9.5mm以上时，不能通过提高接地电极的总导热率X和增加散热能力来有效地延长接地电极的寿命。也已经证实，当接地电极的突出长度L为4.5mm以上时能够获得上述延长效果，而特别当接地电极的突出长度L为6.5mm以上时上述延长效果更加显著。

[实施例4]

在实施例4中，进行评价试验以验证接地电极30的总抗拉强度Y与接地电极30的寿命之间的关系。对于该评价试验，制备多个接地电极，每个接地电极均具有与实施例1的情况相同的第一、第二和第三结构构件的三层结构并且示出由公式(1)所确定的45W/(m·K)的总导热率X和由公式(2)所确定的53至61kgf/mm²的总抗拉强度Y。更具体地，通过将第一、第二和第三结构构件的总抗拉强度分别设定为40kgf/mm²、38kgf/mm²和70kgf/mm²并且调节各结构构件的体积比率来将总导热率X和总抗拉强度Y控制成上述值。制备截面积S为0.38mm³(

0.7mm)且突出长度H为0.8mm的针状电极头并将制成的电极头接合到各接地电极上。使用这些带电极头的接地电极组装火花塞样品。在每个火花塞样品中，通过将接地电极的内面的曲率半径R控制为1.5mm来对接地电极进行弯曲以形成弯曲部。根据与实施例1的情况相同的无负荷空转模式向这样制成的火花塞样品施加热负荷和振动负荷来进行评价试验。对每个测试样品进行接地电极的折损前的循环数(接地电极的寿命)试验。将接地电极的总抗拉强度为53kgf/mm²的样品设定为基准样品，并且将基准样品的循环数规格化为0。计算每个样品的循环数相对于基准样品的循环数的增加量。试验结果如图6所示。

如图6中线图141所示，当接地电极的总抗拉强度Y为55kgf/mm²以下时，无论接地电极是否具有45W/(m·K)的总导热率X和表示出高散热能力，接地电极的寿命都不延长。也就是，接地电极的强度不够。因此，已经证实，接地电极的寿命延长效果随着接地电极的总抗拉强度Y变得高于55kgf/mm²而增大，并且当接地电极的总抗拉强度Y变成59kgf/mm²以上时，接地电极的寿命延长效果饱和。

[实施例5]

在实施例5中，通过模拟技术进行评价试验以验证高导热性构件的体积占接地电极的总体积的体积比率对总导热率X和总抗拉强度Y的影响。对于评价试验，通过在将接地电极的总体积V(mm³)设定为35mm³的同时将第一、第二和第三结构构件的体积v1、v2和v3(mm³)改变至不同水平来制备17种接地电极样品，每个接地电极样品均具有与实施例1的情况相同的第一、第二和第三结构构件的三层结构。在每个样品中，使用在20℃导热率x1为90.5W/(m·K)且在20℃抗拉强度y1为40.1kgf/mm²的材料形成第一结构构件。使用在20℃导热率x2为398W/(m·K)且在20℃抗拉强度y2为38kgf/mm²的材料形成第二结构构件。此外，使用在20℃导热率x3为11.1W/(m·K)且在20℃抗拉强度y3为78.7kgf/mm²的材料形成第三结构构件。在第一至第三结构构件中，导热性为50W/(m·K)以上的第一和第二结构构件被认为是高导热性构件。对每个样品均进行这些高导热性构件的体积占接地电极的总体积V的体积比率(v1+v2)/V的评价。该体积比率(v1+v2)/V在5.4％至64.4％的范围内随着样品的不同而变化。在此，样品序号1至17被分配给这些17种样品(除部分样品外，按体积比率由小到大的顺序)。此外，评价每个样品的根据公式(1)和公式(2)的总导热率X和总抗拉强度Y。评估结果如表1所示。

表1

表1(续表)

如表1所示，总导热率X随着高导热性构件的体积(v1+v2)占接地电极总体积的比率的减小而减小。更具体地，在体积比率小于12.5％的样品序号1至4中，总导热率X低于35W/(m·K)。另一方面，总抗拉强度Y随着高导热性构件的体积(v1+v2)占接地电极总体积的比率的减小而增大。更具体地，在体积比率大于57.5％的样品序号16和17中，总抗拉强度Y为55kgf/mm²以下。根据上述模拟试验的结果，已经表明，为了确保接地电极的总导热率为35W/(m·K)以上，期望将体积比率控制为12.5％以上。也已经表明，为了确保接地电极的总抗拉强度Y高于55kgf/mm²，期望将体积比率控制为57.5％以下。

虽然已参照具体实施方式说明了本发明，但是本发明不限于上述具体实施方式。根据上述示教，本领域技术人员可以对上述实施方式进行各种变型和改变。

尽管在上述实施方式中接地电极30具有第一、第二和第三结构构件35、36和37的三层结构，接地电极30可以具有第一和第二结构构件35和36的两层结构。作为可选方案，接地电极30可以具有带附加的第四结构构件的四层结构或者带有附加的第五结构构件的五层结构。在上述每一情况下，优选地以将由公式(1)确定的总导热率X控制为35W/(m·K)以上并且将由公式(2)确定的总抗拉强度Y控制为高于55kgf/mm²的方式来确定结构构件的组成比率。

可以通过将多种金属材料放到一起来形成接合到接地电极30的前端部31的电极头95。例如，可以通过以两层方式叠层和接合贵金属的贵金属构件和贵金属合金(优选地，贵金属和接地电极的最外层结构构件(在本实施方式中，第三结构构件37)的材料的合金)的中间构件来形成电极头，然后将如此形成的电极头接合到接地电极30的内面33。在这种情况下，优选将耐火花损耗性高的贵金属构件设置在火花放电间隙G侧并且将中间构件设置在接地电极30侧。该类型的电极头允许当热量施加到贵金属构件时热量经由中间构件迅速地逃逸到接地电极，使得热量不太可能在电极头上聚积。此外，这种电极头允许中间构件缓解贵金属构件和接地电极之间的热膨胀系数的差异，从而降低每个接合面的内应力，使得能够增加接地电极和电极头之间的接合强度以防止电极头脱落。这些特征对由于散热能力增加而可能降低与电极头的接合性的本实施方式的接地电极30是有利的。即使当上述类型的电极头被接合到接地电极30的内面33时，本实施方式的接地电极30也能够承受电极头的重量并且可靠地散发来自电极头的热量。

Claims

1.一种火花塞，其包括：

中心电极；

陶瓷绝缘体，该陶瓷绝缘体具有沿轴向延伸的轴孔并且将所述中心电极保持在所述轴孔中；

金属壳，该金属壳围绕所述陶瓷绝缘体的径向外周并且将所述陶瓷绝缘体保持在所述金属壳中；

接地电极，该接地电极的一个端部被接合到所述金属壳的前端面，并且所述接地电极具有以所述接地电极的另一个端部面对所述中心电极的前端部的方式形成在所述接地电极的所述一个端部和所述另一个端部之间的弯曲部；以及

电极头，该电极头在面对所述中心电极的所述前端部的位置被接合到所述接地电极的所述另一个端部，并且所述电极头具有从所述接地电极的所述另一个端部突出0.5mm以上的突出长度，且所述电极头具有0.20mm²至1.13mm²的截面积，

所述接地电极由从所述接地电极的所述一个端部向所述另一个端部延伸的第一结构构件和层状覆盖所述第一结构构件的外表面的至少一个第i结构构件(i＝2，3，4，5)构成；

所述弯曲部的面对所述中心电极的侧面的最小曲率半径为2.3mm以下；

所述接地电极的所述另一个端部的从所述金属壳的所述前端面沿轴向突出最多的部位的突出长度为4.5mm以上；

所述金属壳具有形成有基于JIS标准的M12以下的公称直径的安装螺纹；以及

所述接地电极的由公式(1)表示的在20℃的总导热率X为35W/(m·K)以上

(1)

2.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述接地电极的由公式(2)表示的在20℃的总抗拉强度Y大于55kgf/mm²

(2)

3.根据权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，所述接地电极的所述弯曲部的所述侧面的所述最小曲率半径为1.0mm以上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的火花塞，其特征在于，所述接地电极的由在20℃下具有50W/(m·K)以上的导热率的高导热性材料制成的任一结构构件的体积占所述接地电极的总体积的比率在12.5％至57.5％的范围内。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的火花塞，其特征在于，所述接地电极的与从所述接地电极的所述一个端部到所述另一个端部的方向垂直地截取的截面的面积在1.5mm²至5.0mm²的范围内。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的火花塞，其特征在于，所述接地电极的在20℃具有最高导热率的其中一个结构构件被所述接地电极的在20℃具有低于50W/(m·K)的导热率的其他结构构件覆盖；并且所述接地电极满足5.5mm≤C＜B≤A≤11.5mm的条件，其中，A是所述接地电极的沿经过所述接地电极的与从所述接地电极的所述一个端部到所述另一个端部的方向垂直地截取的截面的中心的第一中心线的长度；B是当经过所述电极头的与所述电极头从所述接地电极的所述另一个端部突出的方向垂直地截取的截面的中心的第二中心线被投影在包括所述第一中心线的平面时，沿所述第一中心线从所述第一中心线与所述第二中心线的交点到所述接地电极的所述一个端部的边缘的长度；C是在20℃具有最高导热率的结构层构件从所述接地电极的所述一个端部的边缘向所述另一个端部沿所述第一中心线延伸的长度。