CN101682174B

CN101682174B - 火花塞

Info

Publication number: CN101682174B
Application number: CN2008800177470A
Authority: CN
Inventors: 铃木彰; 加藤友聪; 无笹守; 弓野次郎
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2028-09-10
Also published as: EP2190084A1; CN101682174A; EP2190084A4; US8531094B2; KR20090125854A; KR101118401B1; JP2009087925A; US20100117507A1; WO2009034989A1; EP2190084B1; JP4430724B2

Abstract

本发明提供一种火花塞，其包括：沿轴线方向延伸的中心电极；具有沿轴线方向形成的轴向孔、以在轴向孔的前侧保持中心电极的陶瓷绝缘体，由此形成中心电极和陶瓷绝缘体的组装单元；包围陶瓷绝缘体的外周金属壳，以将组装单元保持在金属壳内的；以及接地电极，其一端部被接合至金属壳的前端面，其另一端部与中心电极面对以在该接地电极的另一端部与中心电极之间限定火花间隙，火花塞满足如下条件：H≥1mm，Vc≤17mm³以及Ra≥1.0×10³K/(m·W)，H是陶瓷绝缘体沿轴线方向从金属壳的前端面朝向前侧突出的长度，Vc是陶瓷绝缘体的在从陶瓷绝缘体的前端沿轴线方向朝向后侧2mm的范围内延伸的部分的体积；Ra是组装单元的在距陶瓷绝缘体的前端2mm的位置处垂直于轴线方向截取的截面在20℃时除空气空间之外的每单位长度的热阻抗。

Description

火花塞

技术领域

本发明涉及一种被安装至内燃机的用于空气-燃料混合物的点火的火花塞。

背景技术

传统地，内燃机设置有用于空气-燃料混合物的点火的火花塞。火花塞一般地包括中心电极、形成有轴向孔以保持中心电极的陶瓷绝缘体、包围陶瓷绝缘体的径向周围以保持陶瓷绝缘体的安装配件(作为金属壳)、以及接地电极，接地电极的一端部被固定至安装配件且另一端部面对中心电极，以在接地电极的该另一端和中心电极之间限定火花间隙，在该火花间隙中发生火花放电以点燃空气-燃料混合物。

近来，需要提供具有更大阀直径的内燃机吸气阀或排气阀，以提高内燃机的输出性能，以及需要确保更大的水套(waterjacket)，以改进发动机的冷却系统。这些需求导致火花塞在内燃机中安装空间越来越小，从而需要减小火花塞的直径。然而，陶瓷绝缘体和安装配件之间的绝缘距离随着火花塞的直径一起减小。因此，火花塞很可能将产生所谓的横向火花(lateralspark)，该横向火花从中心电极通过陶瓷绝缘体飞向安装配件，而不是在火花间隙内的正常的火花放电。另外，在熏烧状态(smoldering state)下，由于导电性碳堆积在陶瓷绝缘体的表面，使陶瓷绝缘体和安装配件之间的绝缘性变低，因此火花塞很可能将产生所谓的凹部火花(recess spark)。在这种情况下，根据情况的需要，需要提高陶瓷绝缘体的前端的温度，并且从陶瓷绝缘体燃烧掉积碳，从而确保陶瓷绝缘体和安装配件之间的绝缘性。

鉴于前述问题，专利文献1提出了满足下列条件的一种类型的火花塞：(X+0.3Y+Z)/G≥2，Y1(mm)≥1，W/Z≥4，以及1.25≤Z(mm)≤1.55，其中，X是从陶瓷绝缘体的前端部到中心电极的距离；Y是陶瓷绝缘体在安装配件之外的表面区域的爬电距离(creepage distance)；Y1是陶瓷绝缘体从安装配件突出的突出量；Z是气袋(air pocket)尺寸；G是火花间隙尺寸；以及W是陶瓷绝缘体从对应于安装配件的前端面的位置延伸到安装配件内的陶瓷绝缘体和安装配件之间的距离等于火花间隙尺寸G的位置的表面区域的长度。通过上述各个部分尺寸的控制，火花塞实现在非熏烧状态下在火花间隙内适当地且稳定地产生火花放电、以及即使在熏烧状态下发生例如横向火花或凹部火花等沿面放电(creeping discharge)时也能确保点火性能的高能力。

专利文献1：日本特开2005-116513号公报

如果将专利文献1的火花塞应用到例如很有可能发生熏烧的直喷式发动机，存在不能充分地从陶瓷绝缘体去除积碳从而使火花塞不能回到提供足够点火性能的状态的问题。因此，期望的是，开发一种用于从陶瓷绝缘体迅速燃烧掉积碳从而使火花塞从熏烧状态回到正常操作状态并且由此确保点火性能的技术。

发明内容

已创作了本发明来解决上述问题。本发明的目的是提供一种能够允许陶瓷绝缘体的温度快速升高从而从陶瓷绝缘体迅速地燃烧掉积碳的火花塞。

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，该中心电极沿轴线方向延伸；陶瓷绝缘体，该陶瓷绝缘体具有沿轴线方向形成的轴向孔，以在轴向孔的前侧保持中心电极，由此形成中心电极和陶瓷绝缘体的组装单元；金属壳，该金属壳包围陶瓷绝缘体的外周，以将组装单元保持在金属壳内；以及接地电极，该接地电极的一端部被接合至金属壳的前端面，该接地电极的另一端部与中心电极面对以在该接地电极的另一端部与中心电极之间限定火花间隙，其中，火花塞满足如下条件：H≥1mm，Vc≤17mm³以及Ra≥1.0×10³K/(m·W)，其中，H是陶瓷绝缘体沿轴线方向从金属壳的前端面朝向前侧突出的长度，Vc是陶瓷绝缘体的在从陶瓷绝缘体的前端沿轴线方向朝向后侧2mm的范围内延伸的部分的体积；Ra是组装单元的在距陶瓷绝缘体的前端2mm的位置处垂直于轴线方向截取的截面在20℃时除空气空间之外的每单位长度的热阻抗。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的火花塞的局部剖视图。

图2是根据本发明的一个实施方式的火花塞的中心电极的前端部及其周边部件的放大图。

图3是示出陶瓷绝缘体的在火花塞的轴线方向上距陶瓷绝缘体的前端2mm的距离内的前端部分的体积的示意图。

图4是示出实施例中的耐久性试验结果的图。

具体实施方式

下文中，下面将参考附图对根据本发明的一个实施方式的内燃机用火花塞100进行详细说明。在下面的说明中，当火花塞100的轴线O的方向与附图的上下方向一致时，术语“前”和“后”分别是指附图的下侧和上侧。另外，术语“主成分”是指在材料的所有成分中具有最大含量(质量％)的成分。

如图1所示，火花塞100包括：陶瓷绝缘体10；将陶瓷绝缘体10保持在其内的金属壳50；在轴线O的方向上被保持在陶瓷绝缘体10中的中心电极20；具有后端部32和前端部31的接地电极30，后端部32被固定至金属壳50的前端面57，前端部31在其一侧与中心电极20的前端部22相面对；以及被设置在陶瓷绝缘体10的后端部的端子配件40。

陶瓷绝缘体10如所公知的那样由烧结氧化铝制成，并且陶瓷绝缘体10为具有在轴线O方向上形成的轴向孔12的筒状。陶瓷绝缘体10包括：凸缘部19，该凸缘部19位于轴线O方向上的大体中间位置并且具有最大外径；后体部(rear body portion)18，该后体部18位于凸缘部19的后侧(图1中的上侧)；前体部17，该前体部17位于凸缘部19的前侧(图1中的下侧)并且具有比后体部18的外径小的外径；以及腿部13，该腿部13位于前体部17的前侧并且具有比前体部17的外径小的外径。腿部13朝向前侧逐渐变细，当火花塞100被安装到内燃机的气缸盖200时，腿部13暴露至内燃机的燃烧室。陶瓷绝缘体10还包括位于腿部13和前体部17之间的台阶部15。

如图2所示，陶瓷绝缘体10的前端部11(腿部13的前端部分)具有倒角部(chamfered region)14，该倒角部14通过对陶瓷绝缘体10的外周面和前端面之间的棱角部分进行倒角而形成，从而使倒角部14的外径朝向前侧减小。可以用0.3mm至0.7mm(例如0.5mm)的曲率半径倒角来形成倒角部14。另外，陶瓷绝缘体10的前端部11的外径(陶瓷绝缘体10的前端外径)可以被设定为3.0mm至4.3mm。应该注意的是，陶瓷绝缘体10的前端外径是指陶瓷绝缘体10的前端部11的外径，不包括倒角部14的外径，并且优选地是指陶瓷绝缘体10在倒角部14的后端的位置处(对应于图2中的陶瓷绝缘体10的倒角部14和外周面之间的边界位置E1)的外径。

中心电极20为棒状，并且中心电极20具有：电极主体21，其由镍或如Inconel 600或601(商标名)等含有镍作为主成分的合金制成；以及芯25，其由显示出比电极主体的导热性高的导热性的铜或者由含有铜作为主成分的合金制成，并且被埋设在电极主体21中。通常，可以通过将电极主体21形成为带底的筒状、将芯25插入到电极主体21中、然后从底侧挤出所得到的电极材料来制造中心电极20。芯25包括外径大体恒定的主体部和锥状的前端部。在本实施方式中，中心电极20的外径被设定为2.3mm；芯25的外径与中心电极20的外径的比值被设定为70％。

中心电极20的前端部22从陶瓷绝缘体10的前端部11突出，并且朝向前侧逐渐变细。中心电极20的前端部22包括缩径部(reduced diameter region)23，缩径部23的外径减小，从而在缩径部23的外周面和陶瓷绝缘体10的前端部分的轴向孔12的内周面之间留有微小间隙。间隙在轴线O方向上的深度可以被设定为0.8mm至2.0mm(例如，1.0mm)。中心电极20朝向后侧被插入到轴向孔12中，并且经由密封构件4和陶瓷电阻3电连接至端子配件40(见图1)。高压电缆(未示出)经由火花塞帽(plugcap)(未示出)连接至端子配件40，用于将高压施加至端子配件40。这里，将中心电极20保持在陶瓷绝缘体10的轴向孔12中的单元称为组装单元(assembly unit)60(见图2和图3)。

含有Pt或Ir作为主成分并且直径为1mm以下(例如0.6mm)的贵金属或贵金属合金的电极头90(作为第一贵金属电极头)可以被接合至中心电极20的前端部22的前端面，用于提高耐火花损耗性。通过将电极头90和中心电极20的前端部22之间的匹配面的整个外周以如下方式进行激光焊接来实现接合：通过激光照射使电极头90和中心电极20的材料熔化并且混合以在电极头90和中心电极20之间形成坚固的接头。

接地电极30是由以例如Inconel 600或601(商标名)等镍合金为代表的高耐腐蚀材料制成的。如图2所示，接地电极30的长度方向上的截面为大体矩形，并且被弯曲以允许后端部32焊接至金属壳50的前端面57，并且允许前端部31的一侧面对中心电极20的前端部22，从而在接地电极30的前端部31和中心电极20的前端部22之间限定火花间隙。

含有Pt作为主成分且含有Ph、Ir、Ni和Ru中的至少一种作为附加成分的贵金属合金的电极头91(作为第二贵金属电极头)可以在使得在电极头90和91之间限定火花间隙的位置被接合至接地电极30的前端部31的所述一侧。

如图1所示，金属壳50被设计成筒状配件，用于在通过包围陶瓷绝缘体10的从后体部18的一部分到腿部13的圆周部来将陶瓷绝缘体10保持在金属壳50中的状态下、将火花塞100安装至内燃机的气缸盖200中。金属壳50由低碳钢材料制成，并且包括：可与火花塞扳手(未示出)接合的工具接合部51；以及形成有螺纹以在内燃机的上部旋拧到气缸盖200的安装螺纹孔201的安装螺纹部52。安装螺纹部52的外径优选地被设定成根据JISB8031(1995)的公称直径尺寸为M10以下。

金属壳50还包括位于工具接合部51和安装螺纹部52之间的凸缘密封部54。环状垫圈51通过弯曲板材而形成并且被装配在安装螺纹部52和密封部54之间的螺纹颈(thread neck)59上。当火花塞100被安装至气缸盖200时，垫圈5在密封部54的支承面(bearing surface)55和安装螺纹孔201的开口周缘部205之间被压缩和变形，从而在密封部54的支承面55和安装螺纹孔201的开口周缘部205之间建立密封，防止发动机气体通过安装螺纹孔201泄漏。

金属壳50还包括：形成在工具接合部51的后侧并且厚度小的弯边部(swage portion)53；以及形成在密封部54和工具接合部51之间并且与弯边部53的情况一样地厚度小的弯曲部(buckling portion)58。环状圈构件6和7介于金属壳50的从工具接合部51到弯边部53的区域的内周面和陶瓷绝缘体10的后体部18的外周面之间。另外，滑石粉9被填充在这些圈构件6和7之间。弯边部53被向内弯边，以经由圈构件6和7以及滑石粉9在金属壳50内向前侧推压陶瓷绝缘体10，从而将陶瓷绝缘体10的台阶部15经由环形板状密封垫8保持在金属壳50的在与安装螺纹部52对应的位置处形成在金属壳50的内周面上的台阶部56上，从而使金属壳50和陶瓷绝缘体10成为一体。此时，由板状密封垫8保持金属壳50和陶瓷绝缘体10之间的气密性，以防止燃烧气体泄漏。通过在弯曲期间施加压缩力使弯曲部58向外弯曲和变形，从而确保滑石粉9的压缩行进并且提高金属壳50内的气密性。

当上述结构的火花塞100处于在陶瓷绝缘体10的前端面上发生积碳的熏烧状态时，陶瓷绝缘体10的绝缘电阻降低，使得点火线圈发生电压下降。当点火线圈发生电压变得低于所需的火花塞电压(在火花间隙发生火花放电时的电压)时，火花塞100不能产生火花。这导致失火(misfiring)。为了防止这种失火，火花塞100被构造成执行使陶瓷绝缘体10的前端温度升高至约450℃的功能，从而从陶瓷绝缘体10燃烧掉积碳。该功能被称为“自清洁”(self-cleaning)。

通过快速自清洁，火花塞能够迅速地从熏烧状态返回至提供正常点火性能的状态。快速自清洁需要迅速地升高陶瓷绝缘体10的前端温度。因此，如实施例1、2和3所实证的，最佳地控制陶瓷绝缘体10的前端部分的突出量、体积和热阻抗，从而提高陶瓷绝缘体10的前端部分的温度升高性能。下面参考图2和图3，对这些参数进行详细说明。稍后将通过实施例1、2和3验证参数的最佳值。

这里定义：H(mm)是陶瓷绝缘体10沿轴线O方向从金属壳50的前端面57朝向前侧突出的突出量(长度)。还定义：假设沿着通过在轴线O方向上朝向后侧距陶瓷绝缘体10的前端2mm的位置并且垂直于轴线O延伸的(由双点划线P-P所指示的)平面P切断组装单元60，Vc(cm³)是陶瓷绝缘体10的沿着平面P被切断的前端部分的体积；Ra(K/(m·W))是组装单元60的沿着平面P截取的截面在室温(20℃)时除空气空间之外的每单位长度的热阻抗；Rb(K/(m·W))是组装单元60的沿着平面P截取的截面在高温(800℃)时除空气空间之外的每单位长度的热阻抗。

热阻抗是指示热通过材料传导的困难程度的数值。热阻抗的数值越大，热通过材料传导越困难。热阻抗的数值越小，热通过材料传导越容易。为了确定组装单元60的某个截面的热阻抗，定义如下：Ki是陶瓷绝缘体10的导热率；Kn是中心电极20的电极主体21(镍合金)的导热率：Kc是中心电极20的芯25(铜合金)的导热率。进一步定义如下：Si、Sn和Sc分别是沿着平面P截取的陶瓷绝缘体10的截面积、中心电极20的电极主体21的截面积和中心电极20的芯25的截面积；Ri、Rn和Rc分别是陶瓷绝缘体10在沿着平面P截取的截面处的热阻抗、中心电极20的电极主体21在沿着平面P截取的截面处的热阻抗和中心电极20的芯25在沿着平面P截取的截面处的热阻抗。可以从下列等式得出组装单元60在沿着平面P的截面处的每单位长度的热阻抗R(K/(m·W))：

1/R＝(1/Ri)+(1/Rn)+(1/Rc)＝KiSi+KnSn+KcSc

R＝1/(KiSi+KnSn+KcSc)

在该实施方式中，陶瓷绝缘体10的突出量H、陶瓷绝缘体10的前端体积Vc、和通过距离陶瓷绝缘体10的前端2mm的位置处的截面的热阻抗Ra被控制成满足下列条件：H≥1mm，Vc≤17mm³以及Ra≥1.0×10³K/(m·W)。这使得可以获得对于陶瓷绝缘体10的温度快速升高而言通过陶瓷绝缘体10的最佳的热流。

如果陶瓷绝缘体10的突出量H小于1mm，则很难使陶瓷绝缘体10的前端温度升高，从而不能使所有的积碳燃烧掉。因为积碳残留在陶瓷绝缘体10上，则容易发生从中心电极20通过陶瓷绝缘体10飞向金属壳50的横向火花或凹部火花(放电泄漏现象)。因此，火花塞100不能实现足够的性能。当突出量H为1mm以上时，火花塞100能够更迅速地升高陶瓷绝缘体10的温度，使得能够从陶瓷绝缘体10快速地燃烧掉积碳。因此，可以实现不仅防止发生例如横向火花或凹部火花等沿面放电而且还确保车辆行驶所需的绝缘电阻的好效果。

如果陶瓷绝缘体10的前端体积Vc超过17mm³，很难使陶瓷绝缘体10的前端温度升高，从而不能燃烧掉所有的积碳。当陶瓷绝缘体10的前端体积Vc小于17mm³时，火花塞100能够更迅速地升高陶瓷绝缘体10的温度，从而能够从陶瓷绝缘体10快速地燃烧掉积碳。因此，可以实现不仅防止发生例如横向火花或凹部火花等沿面放电而且确保车辆行驶所需的绝缘电阻的好效果。

特别优选的是满足下列条件：Vc≤12mm³。通过将前端体积Vc减小到12mm³以下，能够在保持如上的高热阻抗Ra的同时，进一步提高陶瓷绝缘体10在距前端2mm的范围内的温度升高性能。即使在陶瓷绝缘体10上发生积碳，火花塞100也能获得更迅速地升高陶瓷绝缘体10的温度的能力，快速地从陶瓷绝缘体10燃烧掉积碳，从而从这种污损状态(fouling state)迅速地返回。由此可以使火花塞100的绝缘电阻维持良好的操纵性能(运转性能)所需的100MΩ以上的高水平。

还特别优选的是满足下列条件：Vc≥Smm³。如果前端体积Vc小于8mm³，陶瓷绝缘体10的前端部11的径向厚度(壁厚)太小以至于在陶瓷绝缘体10中出现发生绝缘故障的可能性。通过将前端体积Vc控制到8mm³以上，能够确保陶瓷绝缘体10在距前端2mm范围内的足够壁厚(径向厚度)。这使得在陶瓷绝缘体10中不大可能发生绝缘故障。由此，可以确保火花塞100的良好操纵性能所需的绝缘电阻。

当在通过距陶瓷绝缘体10的前端2mm的位置处的截面的热阻抗Ra在室温下为1.0×10³K/(m·W)以上时，火花塞100获得快速地升高陶瓷绝缘体10的前端温度、从陶瓷绝缘体10燃烧掉积碳、并且由此将其绝缘电阻保持在10MΩ以上的发动机可发动的水平的能力。

通过距陶瓷绝缘体10的前端2mm的位置处的截面的热阻抗Rb在高温下可以被控制为1.0×10⁴K/(m·W)以下，优选地为0.8×10⁴K/(m·W)以下。如果热阻抗Rb在陶瓷绝缘体10的温度足够高以燃烧掉积碳的状态下变得高于1.0×10⁴K/(m·W)，则由于散热不够而使中心电极20上的电极头90的消耗增大，并且使火花塞100的耐久性急剧降低。当热阻抗Rb为1.0×10⁴K/(m·W)以下时，通过从位于中心电极20的前端部22上的贵金属电极头90的顺利散热，能够使火花塞100维持例如耐损耗性等耐久性。当热阻抗Rb为0.8×10⁴K/(m·W)以下时，通过更顺利的散热，能够使火花塞100维持良好的耐久性。

如上所述，通过如下地控制各参数能够提高陶瓷绝缘体10的前端部分的温度升高性能：H≥1mm，Vc≤17mm³以及Ra≥1.0×10³K/(m·W)。这可以使火花塞100能够快速地升高陶瓷绝缘体10的前端温度并且从陶瓷绝缘体10的前端部分的表面快速地燃烧掉积碳。由于积碳不残留在陶瓷绝缘体10的表面上，因此可以防止例如横向火花或凹部火花等沿面放电的发生，并且确保空气-燃料混合物的适当且稳定的点火。

通过将参数控制成满足下列条件：Rb≤1.0×10⁴K/(m·W)(Rb≤0.8×10⁴K/(m·W))，火花塞能够获得高耐久性，并且限制中心电极20的电极头90的消耗。

在火花塞100是小直径类型、即金属壳50的安装螺纹部52的外径是根据JIS标准的公称直径尺寸为M10以下的情况下，特别有利于发挥上述效果。由于火花塞100的直径减小，确保金属壳50和陶瓷绝缘体10之间的间隙变得更困难，从而除非从陶瓷绝缘体10快速地去除积碳，否则容易发生横向火花或凹部火花。即使在安装螺纹部52的螺纹的外径为公称直径尺寸M10以下的这种小直径火花塞100中，具有提高的温度升高性能的陶瓷绝缘体10也能够自清洁，从而能够从陶瓷绝缘体10快速地燃烧掉积碳，而与金属壳50的内周面和陶瓷绝缘体10的外周面之间的窄间隙无关。因此，可以防止从中心电极20通过陶瓷绝缘体10飞向金属壳50的沿面放电的发生，并且确保空气-燃料混合物的适当且稳定的点火。

通过满足条件Vc≤12mm³，还可以将火花塞100的绝缘电阻维持在100MΩ以上。另一方面，通过满足条件Vc≥8mm³，可以确保陶瓷绝缘体10的前端部11的径向厚度(壁厚)，使得不大可能发生绝缘故障。

另外，在陶瓷绝缘体10的前端部11形成倒角部14，从而朝向前端减小外径；并且在中心电极20的前端部22形成缩径部23，从而减小外径(见图2)。在中心电极20的缩径部23的外周面和陶瓷绝缘体10的前端部分的轴向孔12的内周面之间留有一些间隙。在这种构造中，中心电极20的外径在缩径部23的后端(即，图2中的位置E2)不连续地变化，从而使电场很可能集中在缩径部23的后端或位于缩径部23的后端附近。如果陶瓷绝缘体10在对应于缩径部的后端的位置处的壁厚小，则在陶瓷绝缘体10中存在绝缘故障的可能性。因此，缩径部23的后端(位置E2)优选地位于倒角部14的后端(位置E1)的后侧。倒角部14的曲率半径和间隙在轴线O方向上的深度分别被控制为0.3mm至0.7mm和0.8mm至2.0mm。在这种情况下，能够确保陶瓷绝缘体10在对应于缩径部23的后端(位置E2)的位置的壁厚，从而防止在陶瓷绝缘体10中发生绝缘故障。

另外，中心电极20上的电极头90由直径为1mm以下并且含有Pt或Ir作为主成分的贵金属或贵金属合金制成。在陶瓷绝缘体10的前端部分获得提高的温度升高性能的本实施方式的火花塞100中，由于在污损状态下执行自清洁以快速地升高陶瓷绝缘体10的温度，因此中心电极20遭受高热负荷。当电极头90由具有高熔点和高耐火花损耗性的贵金属或贵金属合金制成并且被接合至中心电极20的前端部22、从而通过电极头90发生火花放电时，即使在高热负荷的条件下，火花塞100也能够有利地确保耐火花损耗性，并且保持高耐久性。当电极头91被接合至接地电极30并且由具有高熔点和高耐火花损耗性的贵金属合金制成时，更具体地，贵金属合金含有Pt作为主成分以及Rh、Ir、Ni和Ru中的至少一种作为附加成分，火花塞100还能够有利地获得对火花放电的电极损耗的高耐性。

参考下面的实施例，将对本发明进行更详细的说明。然而，应该注意，下面的实施例仅仅是示例性的，并且不是想要将本发明限制于此。

[实施例1]

在实施例1中，试验陶瓷绝缘体10的突出量H和前端体积Vc及热阻抗Ra对火花塞100的绝缘电阻的影响。

存在调整热阻抗Ra的两种方法。一种方法是改变中心电极的芯的材料和体积。可以使用镍、镍合金或铜合金作为中心电极的芯的材料。另一种方法是改变陶瓷绝缘体的材料。可以使用氧化铝或氮化铝作为陶瓷绝缘体的材料。在该实施例中，使用导热率均为15W/(K·m)至170W/(K·m)的氧化铝和氮化铝。在以下两种情况下进行试验：情况1，通过改变中心电极的芯的材料来调整热阻抗Ra；情况2，通过改变陶瓷绝缘体的材料来调整热阻抗Ra。检查这两种调整方法对试验结果的影响的差别。

在情况1和情况2两种情况下，对于陶瓷绝缘体10的突出量H提供5个不同的试验组。更具体地，在情况1中试验组被设定如下：试验组1-1(突出量：H＝0mm)；试验组1-2(突出量：H＝1mm)；试验组1-3(突出量：H＝1.8mm)；试验组1-4(突出量：H＝2.3mm)；试验组1-5(突出量：H＝3.8mm)。在情况2中试验组被设定如下：试验组2-1(突出量：H＝0mm)；试验组2-2(突出量：H＝1mm)；试验组2-3(突出量：H＝1.8mm)；试验组2-4(突出量：H＝2.3mm)；试验组2-5(突出量：H＝3.8mm)。另外，在每个试验组中，提供前端体积Vc的6个值和热阻抗Ra的6个值的36种组合。更具体地，对于前端体积Vc设定以下6个值：8mm³、12mm³、14.5mm³、17mm³、19mm³和20mm³。对于热阻抗Ra设定以下6个值：情况1中0.6、0.8、1.0、2.0、4.0和6.0(×10³K/(m·W))；以及情况2中0.6、0.7、0.8、1.0、1.2和1.5(×10³K/(m·W))。

以满足各试验组的突出量H、前端体积Vc和热阻抗Ra的值的方式制备陶瓷绝缘体的样品。分别使用这些陶瓷绝缘体样品来制造火花塞样品。将火花塞样品的安装螺纹部的外径控制成根据JIS B8031的公称直径尺寸为M10。

制造的火花塞样品均根据JIS D1606进行熏烧/污损试验，并且根据JIS B8031进行绝缘电阻测量(Ω)。完成10个试验循环时的火花塞样品的绝缘电阻被评价为从A至D的四个等级。在该实施例中，样品评价如下：当完成10个试验循环时的绝缘电阻为100MΩ以上时为“A”；当完成10个试验循环时的绝缘电阻为10MΩ以上且100MΩ以下时为“B”；当完成10个试验循环时的绝缘电阻为10MΩ以下时为“C”；以及当在测试循环期间发生任何发动机发动故障时为“D”。当绝缘电阻如此之高以至于使陶瓷绝缘体的前端温度迅速地升高以从陶瓷绝缘体快速地燃烧掉积碳时，样品的温度升高性能被认为是“良”。相比之下，当绝缘电阻如此之低以至于使陶瓷绝缘体的前端温度不能迅速地升高而使积碳留在陶瓷绝缘体上时，样品的温度升高性能被认为是“差”。评价结果在表1至表10中示出。

在使用上述热阻抗Ra的调整方法的样品制备中，热阻抗Ra的可调整范围根据陶瓷绝缘体的前端体积Vc与中心电极和陶瓷绝缘体的材料的化学特性之间的关系而受限制。归因于热阻抗Ra的调整方法的不同，情况1中的热阻抗Ra的可调整范围与情况2中的热阻抗Ra的可调整范围不同。

在情况1中，热阻抗Ra被调整到处于0.6×10³K/(m·W)至6.0×10³K/(m·W)的范围内。不能制备前端体积Vc为12mm³以上且热阻抗Ra为6.0×10³K/(m·W)的陶瓷绝缘体样品、以及前端体积Vc为20mm³且热阻抗Ra为4.0×10³K/(m·W)的陶瓷绝缘体样品。由于没有获得这些参数组合的数据，因此符号“-”被分配给表1至表5中的对应的数据框。

在情况2中，热阻抗Ra被调整到处于0.6×10³K/(m·W)至1.5×10³K/(m·W)的范围内，该范围比情况1的范围窄。不能制备前端体积Vc为8mm³至14.5mm³且热阻抗Ra为0.6×10³K/(m·W)的陶瓷绝缘体样品、以及前端体积Vc为8mm³且热阻抗Ra为0.7×10³K/(m·W)的陶瓷绝缘体样品。由于没有获得这些参数组合的数据，因此符号“-”被分配给表6至表10中的对应的数据框。

表1

表2

表3

表4

表5

表6

表7

表8

表9

表10

如表1所示，无论陶瓷绝缘体的前端体积Vc和热阻抗Ra的值是多少，试验组1-1的所有样品都被评价为“D”。

如表2所示，试验组1-2的前端体积Vc为8mm³至12mm³并且热阻抗Ra为1.0×10³K/(m·W)至6.0×10³K/(m·W)的样品被评价为“A”。试验组1-2的前端体积Vc为14.5mm³至17mm³并且热阻抗Ra为1.0×10³K/(m·W)至4.0×10³K/(m·W)的样品被评价为“B”。试验组1-2的前端体积Vc为8mm³至14.5mm³并且热阻抗Ra为0.8×10³K/(m·W)的样品被评价为“C”。试验组1-2的所有其它样品被评价为“D”。

如表3所示，试验组1-3的前端体积Vc为8mm³至12mm³并且热阻抗Ra为1.0×10³K/(m·W)至6.0×10³K/(m·W)的样品被评价为“A”。试验组1-3的前端体积Vc为14.5mm³至17mm³并且热阻抗Ra为1.0×10³K/(m·W)至4.0×10³K/(m·W)的样品被评价为“B”。试验组1-3的前端体积Vc为8mm³至17mm³并且热阻抗Ra为0.8×10³K/(m·W)的样品被评价为“C”。试验组1-3的所有其它样品被评价为“D”。

如表4所示，试验组1-4的前端体积Vc为8mm³至12mm³并且热阻抗Ra为1.0×10³K/(m·W)至6.0×10³K/(m·W)的样品被评价为“A”。另外，试验组1-4的前端体积Vc为14.5mm³至17mm³并且热阻抗Ra为1.0×10³K/(m·W)至4.0×10³K/(m·W)的样品被评价为“B”，以及试验组1-4的前端体积Vc为8mm³至17mm³并且热阻抗Ra为0.8×10³K/(m·W)的样品被评价为“C”。试验组1-4的所有其它样品被评价为“D”。

如表5所示，与试验组1-3的情况一样，试验组1-5的前端体积Vc为8mm³至12mm³并且热阻抗Ra为1.0×10³K/(m·W)至6.0×10³K/(m·W)的样品被评价为“A”。另外，试验组1-5的前端体积Vc为14.5mm³至17mm³并且热阻抗Ra为1.0×10³K/(m·W)至4.0×10³K/(m·W)的样品被评价为“B”，以及试验组1-5的前端体积Vc为8mm³至17mm³并且热阻抗Ra为0.8×10³K/(m·W)的样品被评价为“C”。试验组1-5的所有其它样品被评价为“D”。

在试验组1-1中，陶瓷绝缘体的突出量H被设定为0mm，使得陶瓷绝缘体的前端被隐藏在金属壳内。在这种情况下，可以进行如下设想。由于陶瓷绝缘体的极少部分暴露至燃烧室，因此很难使陶瓷绝缘体的前端温度升高。从而，不能够从陶瓷绝缘体快速地燃烧掉积碳，并且积碳残留在陶瓷绝缘体上。由于易于发生横向火花或凹部火花(放电泄露现象)，这导致发动机发动故障。

在试验组2中，陶瓷绝缘体的突出量H被设定为1mm，使得陶瓷绝缘体的前端部分从金属壳的前端面突出，并且被暴露至燃烧室。这使得试验组1-2中比试验组1-1中更容易使陶瓷绝缘体的前端温度升高。从而，在试验组1-2中比在试验组1-1中具有更多数量的一定绝缘电阻水平以上的火花塞样品。由上述结果已经示出，通过将陶瓷绝缘体的前端体积Vc控制在17mm³以下并且将热阻抗Ra控制在1.0×10³K/(m·W)以上(对应于表2中“A”和“B”的范围)，能够使火花塞的绝缘电阻保持在至少10MΩ。还示出，通过将陶瓷绝缘体的前端体积Vc控制在12mm³以下并且将热阻抗Ra控制在1.0×10³K/(m·W)以上(对应于表2中“A”的范围)，能够使火花塞的绝缘电阻优选地保持在至少100MΩ。

试验组1-3、1-4和1-5的试验结果与试验组1-2的试验结果基本相同。从这些结果能够得出结论，在情况1中期望陶瓷绝缘体的突出量H为至少1mm。然而，当陶瓷绝缘体的突出量极度地增大时，由于陶瓷绝缘体的较大部分暴露至燃烧室，可能发生陶瓷绝缘体的过烧(excessive burning)。另外，由于中心电极朝向燃烧室的中心突出而过热，使中心电极的电极头变得更容易被消耗。如在后面所述的实施例2的耐久性试验结果中看到的那样，火花塞的耐久性在突出量H为1mm时比在突出量为4mm时高。由此，可以认为，为了适当的自清洁功能，突出量H优选地在1mm左右。

如表6所示，无论陶瓷绝缘体的前端体积Vc和热阻抗Ra的值是多少，试验组2-1的所有样品都被评价为“D”。

如表7所示，试验组2-2的前端体积Vc为8mm³至12mm³并且热阻抗Ra为1.0×10³K/(m·W)至1.5×10³K/(m·W)的样品被评价为“A”。试验组2-2的前端体积Vc为14.5mm³至17mm³并且热阻抗Ra为1.0×10³K/(m·W)至1.5×10³K/(m·W)的样品被评价为“B”。试验组2-2的前端体积Vc为8mm³至14.5mm³并且热阻抗Ra为0.8×10³K/(m·W)的样品被评价为“C”。试验组2-2的所有其它样品被评价为“D”。

如表8所示，试验组2-3的前端体积Vc为8mm³至12mm³并且热阻抗Ra为1.0×10³K/(m·W)至1.5×10³K/(m·W)的样品被评价为“A”。试验组2-3的前端体积Vc为14.5mm³至17mm³并且热阻抗Ra为1.0×10³K/(m·W)至1.5×10³K/(m·W)的样品被评价为“B”。试验组2-3的前端体积Vc为8mm³至17mm³并且热阻抗Ra为0.8×10³K/(m·W)的样品被评价为“C”。试验组2-3的所有其它样品被评价为“D”。

如表9所示，与试验组2-3的情况一样，试验组2-4的前端体积Vc为8mm³至12mm³并且热阻抗Ra为1.0×10³K/(m·W)至1.5×10³K/(m·W)的样品被评价为“A”。另外，试验组2-4的前端体积Vc为14.5mm³至17mm³并且热阻抗Ra为1.0×10³K/(m·W)至1.5×10³K/(m·W)的样品被评价为“B”，以及试验组2-4的前端体积Vc为8mm³至17mm³并且热阻抗Ra为0.8×10³K/(m·W)的样品被评价为“C”。试验组2-4的所有其它样品被评价为“D”。

如表10所示，与试验组2-3的情况一样，试验组2-5的前端体积Vc为8mm³至12mm³并且热阻抗Ra为1.0×10³K/(m·W)至1.5×10³K/(m·W)的样品被评价为“A”。另外，试验组2-5的前端体积Vc为14.5mm³至17mm³并且热阻抗Ra为1.0×10³K/(m·W)至1.5×10³K/(m·W)的样品被评价为“B”，以及试验组2-5的前端体积Vc为8mm³至17mm³并且热阻抗Ra为0.8×10³K/(m·W)的样品被评价为“C”。试验组2-5的所有其它样品被评价为“D”。

在试验组2-1中，与试验组1-1的情况一样，陶瓷绝缘体的突出量H被设定为0mm，使得陶瓷绝缘体的前端隐藏在金属壳内。可以设想：不能从陶瓷绝缘体快速地燃烧掉积碳，并且积碳残留在陶瓷绝缘体上，由于易于发生横向火花或凹部火花(放电泄露现象)，从而导致发动机发动故障。

在试验组2-2中，与试验组1-2的情况一样，陶瓷绝缘体的突出量H被设定为1mm，使得陶瓷绝缘体的前端部从金属壳的前端面突出。由于陶瓷绝缘体的前端部被暴露至燃烧室，在试验组2-2中比在试验组2-1中更容易使陶瓷绝缘体的前端温度升高。从而，试验组2-2中比试验组2-1中具有更多数量的一定绝缘电阻水平以上的火花塞样品。已经示出，通过将陶瓷绝缘体的前端体积Vc控制在17mm³以下并且将热阻抗Ra控制在1.0×10³K/(m·W)以上(对应于表7中“A”和“B”的范围)，能够使火花塞的绝缘电阻保持在至少10MΩ。还示出，通过将陶瓷绝缘体的前端体积控制在12mm³以下并且将热阻抗Ra控制在1.0×10³K/(m·W)以上(对应于表7中“A”的范围)，能够使火花塞的绝缘电阻优选地保持在至少100MΩ。

试验组2-3、2-4和2-5的试验结果与试验组2-2的试验结果基本相同。从这些结果能够得出结论，在情况2中期望陶瓷绝缘体的突出量H为至少1mm。

尽管情况1的热阻抗Ra的可调整范围与情况2的热阻抗Ra的可调整范围不同，但是在情况1和情况2的可调整热阻抗范围的重叠范围内试验结果基本相同。无论热阻抗Ra的调整方法是哪种方法，只要热阻抗Ra为1.0×10³K/(m·W)以上，试验结果都是有利的。从而，可以认为，热阻抗Ra的调整方法之间的差别对于试验结果几乎没有影响。

由上述实施例已经验证的是，通过如下地控制各个参数，在熏烧/污损试验之后，可以将火花塞的绝缘电阻保持在10MΩ以上：

H≥1mm

Vc≤17mm³

Ra≥1.0×10³K/(m·W)

还已经验证的是，通过将绝缘体的前端体积Vc控制为12mm³以下，在熏烧/污损试验之后，可以将火花塞的绝缘电阻维持在100MΩ以上。

[实施例2]

在实施例2中，对高温热阻抗Rb对中心电极的电极头的耐久性的影响和陶瓷绝缘体的突出量H对电极头的消耗的影响进行试验。

通过将热阻抗Rb的6个值，即0.4、0.6、0.8、1.0、1.2和1.4(×10⁴K/(m·W))和突出量H的两个值，即1mm和4mm进行组合，来制备12种陶瓷绝缘体样品。使用这些陶瓷绝缘体样品制造12种火花塞样品。通过以与实施例1的情况2相同的方式改变陶瓷绝缘体的材料来调整热阻抗Rb。火花塞样品是公称直径尺寸为M10的小尺寸类型。另外，使用铱合金电极头作为各火花塞样品的电极头。每个火花塞样品在2000-cc直列(in-line)四缸发动机中在5000RPM和W.O.T的条件下接受持续100小时的耐久性试验。通过计算电极头在耐久性试验之后的消耗率(％)来评价火花塞的耐久性。这里，消耗率被计算为电极头的体积在耐久性试验之前和之后的减少率(即，电极头在耐久性试验之前的体积和电极头在耐久性试验之后的体积之间的差值除以电极头在耐久性试验之前的体积所得到的值)。注意，可以利用例如X-射线CT扫描仪来确定电极头体积。作为评价标准，合格线被设定为5％，这与传统火花塞的电极头消耗率大体相同。评价结果在表11和图4中示出。

表11

如表11所示，在陶瓷绝缘体的突出量H为1mm的情况下：当热阻抗Rb为0.4×10⁴K/(m·W)时，电极头消耗率为1％；当热阻抗Rb为0.6×10⁴K/(m·W)时，电极头消耗率为2％；当热阻抗Rb为0.8×10⁴K/(m·W)时，电极头消耗率为3％；当热阻抗Rb为1.0×10⁴K/(m·W)时，电极头消耗率为5％；当热阻抗Rb为1.2×10⁴K/(m·W)时，电极头消耗率为35％；以及当热阻抗Rb为1.4×10⁴K/(m·W)时，电极头消耗率为55％。相比之下，如表11所示，在陶瓷绝缘体的突出量H为4mm的情况下：当热阻抗Rb为0.4×10⁴K/(m·W)时，电极头消耗率为1％；当热阻抗Rb为0.6×10⁴K/(m·W)时，电极头消耗率为2％；当热阻抗Rb为0.8×10⁴K/(m·W)时，电极头消耗率为3％；当热阻抗Rb为1.0×10⁴K/(m·W)时，电极头消耗率为5％；当热阻抗Rb为1.2×10⁴K/(m·W)时，电极头消耗率为39％；以及当热阻抗Rb为1.4×10⁴K/(m·W)时，电极头消耗率为59％。

如图4所示，无论突出量H是被设定为1mm还是被设定为4mm，当热阻抗Rb在0.4×10⁴K/(m·W)至1.0×10⁴K/(m·W)的范围内时，电极头消耗率被限制到5％以下。当热阻抗Rb超过1.0×10⁴K/(m·W)时，由于电极头的迅速消耗，电极头的消耗率急剧增大。由此，从这些结果得出结论，通过将热阻抗Rb控制到1.0×10⁴K/(m·W)以下，能够将电极头消耗率限定在5％以下，从而确保火花塞的足够耐久性。另外，在热阻抗Rb超过1.0×10⁴K/(m·W)时，通过将突出量H设定成4mm比将突出量H设定成1mm的电极头消耗率略高。例如，在热阻抗为1.2×10⁴K/(m·W)时，突出量H为1mm的样品的电极头消耗率为35％，而突出量H为4mm的样品的电极头消耗率为39％。可以设想，随着陶瓷绝缘体的突出量H的增大，中心电极的电极头突出到燃烧室中，并且遭受更高的温度负荷。

尽管在实施例2中火花塞样品具有小直径尺寸M10，但是对安装螺纹部具有外径尺寸M14的火花塞样品以与上述方式相同的方式进行耐久性试验。这些样品的电极头消耗率为3％。由此，从表11和图4可以得出结论：当热阻抗Rb被控制到0.8×10⁴K/(m·W)以下时，M10尺寸的小直径火花塞能够获得与M14尺寸的火花塞相当水平的电极头消耗率。

由上述结果已经验证，通过将热阻抗Rb控制到0.8×10⁴K/(m·W)以下，能够使例如M10型的小尺寸型火花塞的耐久性维持在与M 14型的火花塞的耐久性相当的高水平。

[实施例3]

在实施例3中，对陶瓷绝缘体10的前端体积Vc对耐电压特性的影响进行试验。

使用陶瓷绝缘体的前端体积Vc被调整成5个值：6、8、12、17和19(mm³)的陶瓷绝缘体样品来制造火花塞样品。更具体地，通过改变从1.9mm到2.3mm的范围的中心电极的外径

从15％到90％的范围内的芯(铜芯)的外径与中心电极的外径的比值、以及从3.1mm到4.3mm的范围内的陶瓷绝缘体的前端外径

的组合，将陶瓷绝缘体的前端体积Vc调整成上述5个值。这里，使用制备的陶瓷绝缘体样品，每种火花塞制造10个样品。然后，将每个火花塞样品在1600-cc直列四缸发动机内在5000RPM和W.O.T的条件下进行持续1小时的耐久性试验。在耐久性试验之后，观察陶瓷绝缘体的前端部，以检查陶瓷绝缘体中是否发生绝缘故障。以两个等级对前端体积Vc不同的每种样品进行评价：“A”为在相同前端体积Vc的10个样品中均未发生绝缘故障；以及“B”为在相同前端体积Vc的10个样品中至少一个样品发生绝缘故障。评价结果在表12中示出。

表12

Vc(mm³)	6	8	12	17	19
						评价	B	A	A	A	A

如表12所示，由于在前端体积Vc为6mm³的类型的火花塞样品中的一些样品中检测到绝缘故障，因此这些样品被评价为“B”。相反，前端体积Vc为8mm³以上的类型的火花塞样品被评价为“A”，在任何样品中均未发生绝缘故障。可以设想，在前端体积Vc为6mm³的样品中，由于陶瓷绝缘体的前端部分的体积不够而使瓷绝缘体的前端部分的径向厚度(壁厚)小，从而陶瓷绝缘体的前端部分在耐久性试验期间发生绝缘故障，因此前端体积Vc为6mm³的样品被评价为“B”。已经示出，通过将前端体积Vc控制成8mm³以上，陶瓷绝缘体能够确保足够的前端体积和足够的壁厚，从而防止在耐久性试验中发生绝缘故障。

如上所述，通过控制火花塞的各个参数，可以获得如下的好效率：提高陶瓷绝缘体10的前端部分的温度升高性能，使得积碳从陶瓷绝缘体10快速地燃烧掉而不残留在陶瓷绝缘体10上，以防止发生例如横向火花等沿面放电并且确保适当点火性能所需的火花塞的绝缘电阻。

尽管已经参考上面的具体实施方式对本发明进行了说明，但是本发明不限于这些典型实施方式。本领域的普通技术人员根据上面的教示可以对上面所述的实施方式进行各种修改和变形。例如，尽管在上述实施方式中，分别使用镍或镍基合金以及铜和铜基合金作为中心电极20的电极主体21和芯25的材料，但是中心电极20的电极主体21和芯25的材料可选地可以是其它金属的任意组合，即高耐火花损耗的金属(例如，Fe合金)和导热性比电极主体21的导热性高的合金(例如，Ag合金)。可以不设置电极头90和91中的任意一个，或者两个都不设置。

Claims

1.一种火花塞，其包括：

中心电极，该中心电极沿轴线方向延伸；

陶瓷绝缘体，该陶瓷绝缘体具有沿所述轴线方向形成的轴向孔，以在所述轴向孔的前侧保持所述中心电极，由此形成所述中心电极和所述陶瓷绝缘体的组装单元；

金属壳，该金属壳包围所述陶瓷绝缘体的外周，以将所述组装单元保持在所述金属壳内；以及

接地电极，该接地电极的一端部被接合至所述金属壳的前端面，该接地电极的另一端部与所述中心电极面对以在该接地电极的所述另一端部与所述中心电极之间限定火花间隙，

其中，所述火花塞满足如下条件：H≥1mm，Vc≤17mm³以及Ra≥1.0×10³K/(m·W)，其中，H是所述陶瓷绝缘体沿所述轴线方向从所述金属壳的所述前端面朝向前侧突出的长度，Vc是所述陶瓷绝缘体的在从所述陶瓷绝缘体的前端面沿所述轴线方向朝向后侧2mm的范围内延伸的部分的体积；Ra是所述组装单元的在从所述陶瓷绝缘体的前端面起朝向后侧2mm的位置处垂直于所述轴线方向截取的截面在20℃时除空气空间之外的每单位长度的热阻抗。

2.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述火花塞满足如下条件：Vc≤12mm³。

3.根据权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，所述火花塞满足如下条件：Vc≥8mm³。

4.根据权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，所述火花塞满足如下条件：Rb≤1.0×10⁴K/(m·W)，其中，Rb是所述组装单元的在从所述陶瓷绝缘体的前端面起朝向后侧2mm的位置处垂直于所述轴线方向截取的截面在800℃时除空气空间之外的每单位长度的热阻抗。

5.根据权利要求4所述的火花塞，其特征在于，所述火花塞满足如下条件：Rb≤0.8×10⁴K/(m·W)。

6.根据权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，所述陶瓷绝缘体的前端部具有外径朝向前侧减小的倒角部；所述中心电极的前端部具有外径减小的缩径部；其中，所述缩径部的后端位于所述倒角部的后端的后侧。

7.根据权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，所述金属壳具有安装螺纹部，该安装螺纹部的外周面上形成有用于旋拧安装到内燃机的安装螺纹孔的螺纹；所述安装螺纹部的外径为根据JIS标准的公称直径尺寸M10以下。

8.根据权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，所述火花塞还包括第一贵金属电极头，该第一贵金属电极头含有Ir或Pt作为主成分，直径为1mm以下并且被接合至所述中心电极的前端面。

9.根据权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，所述火花塞还包括第二贵金属电极头，该第二贵金属电极头含有Ph、Ir、Ni和Ru中的至少一种成分以及作为主成分的Pt，并且所述第二贵金属电极头被接合至所述接地电极的所述另一端部，从而在所述第二贵金属电极头与所述中心电极之间形成所述火花间隙。