CN101911409A

CN101911409A - 内燃机用火花塞

Info

Publication number: CN101911409A
Application number: CN2008801233622A
Authority: CN
Inventors: 龟田裕之; 中山胜稔; 岸本香织; 加藤友聪
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2008-12-25
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2028-12-25
Also published as: EP2226911B1; WO2009084575A1; US20100275870A1; JPWO2009084575A1; EP2226911A4; US8640666B2; CN101911409B; EP2226911A1; JP5048063B2

Abstract

通过提高贵金属电极头的导热性能来实现耐剥离性等的增强。火花塞(1)包括沿着轴线(CL1)延伸的中心电极(5)、接地电极(27)、贵金属电极头(32)等。贵金属电极头(32)的中心轴线(CL3)相对于接地电极(27)的中心轴线(CL2)朝向轴线(CL1)的方向的基端侧错位。接地电极(27)包括外层(27A)和内层(27B)，内层(27B)的末端位于比接地电极(27)的基端靠近轴线(CL1)的位置。在投影面(PH)内内层(27B)和贵金属电极头(32)之间的重叠区(OA)占内层(27B)的比率为25％以上，其中投影面(PH)是通过将接地电极(27)的从末端面(27f)侧观察的面沿中心轴线(CL2)投影到接地电极(27)的与中心轴线(CL2)垂直的截面中的内层(27B)的截面积最大的截面上来定义的。

Description

内燃机用火花塞

技术领域

本发明涉及一种在内燃机中使用的火花塞。

背景技术

在如汽车发动机等内燃机中使用的火花塞例如包括：沿轴线方向延伸的中心电极；设置在中心电极外侧的绝缘体；设置在绝缘体外侧的圆筒状的金属壳；以及接地电极，其基端部被接合到金属壳的前端。接地电极以使接地电极的内周面的末端部与中心电极的前端部相对的方式弯曲地配置，从而在中心电极的前端部和接地电极的末端部之间形成火花放电间隙。此外，提出了如下技术：通过将由贵金属合金制成的电极头(贵金属电极头)分别接合到中心电极的前端部和接地电极的末端部来增强耐火花消耗性(例如，参见专利文献1)。

从实现接地电极的优异的散热性能的角度出发，已知的技术为：将接地电极设置为两层结构，该两层结构包括由Ni合金制成的外层和由导热性能等比Ni合金优异的铜合金制成的内层。

专利文献1：日本特开平5-242952号公报

发明内容

发明要解决的问题

顺便提及，从提高燃烧效率等角度出发，近来需要进一步提高燃烧室的内部温度。当在接地电极上设置贵金属电极头时，贵金属电极头的热经由接地电极来传导。当如上所述地提高燃烧室的内部温度时，贵金属电极头经由接地电极的导热可能不足。如果贵金属电极头的导热不足，贵金属电极头和接地电极之间的温度差将增大；因此，作用于贵金属电极头和接地电极之间的焊接部的应力将变大，这反过来将产生对贵金属电极头的耐剥离性下降的担忧。此外，由于贵金属电极头的设置，存在贵金属电极头的耐久性下降以及耐火花消耗性的增强效果不十分有效的可能性。

考虑到上述情况，创作了本发明，本发明的目的是提供一种内燃机用火花塞，该内燃机用火花塞能够通过优化接地电极的内层和贵金属电极头之间的位置关系而增强贵金属电极头的导热性能并且增强贵金属电极头的耐剥离性和耐久性。

用于解决问题的方案

以下，分项说明用于实现上述目的的适用构造。必要时，对对应的构造所特有的效果进行附加说明。

构造1：一种内燃机用火花塞，其包括：棒状的中心电极，其沿火花塞的轴线方向延伸；大致圆筒状的绝缘体，其具有沿所述火花塞的轴线方向延伸的轴向孔，所述中心电极被设置在所述轴向孔中；大致圆筒状的金属壳，其设置在所述绝缘体的外周；接地电极，其从所述金属壳的前端部延伸，且所述接地电极的末端被朝向所述中心电极弯曲；以及贵金属电极头，其被接合到所述接地电极的末端部，其中：在所述中心电极的前端部和所述贵金属电极头之间形成间隙；以如下方式接合所述贵金属电极头：所述贵金属电极头的中心轴线相对于所述接地电极的中心轴线朝向所述火花塞的轴线方向的基端侧错位；所述接地电极包括由镍合金制成的外层和由导热性优于所述外层的导热性的材料制成的内层；所述内层的末端位于比所述接地电极的基端靠近所述火花塞的轴线的位置；以及在投影面内所述内层和所述贵金属电极头之间的重叠区占的比率为25％以上，所述投影面的定义如下：通过将所述接地电极的从所述接地电极的末端面侧观察的面沿所述接地电极的中心轴线投影到，所述接地电极的与所述接地电极的中心轴线垂直的截面中的所述内层的截面积最大的截面上，来定义所述投影面。

由贵金属合金制成的贵金属部还可以设置在中心电极的前端部。在这种情况下，在设置于中心电极的贵金属部和设置于接地电极的贵金属电极头之间形成间隙。

根据构造1，接地电极具有双层结构，该双层结构包括外层和由所呈现的导热性优于外层的导热性的材料制成的内层，且内层相对于接地电极的基端朝向火花塞的轴线延伸(在接地电极的中心轴线和火花塞的轴线穿过的截面内，内层延伸超过以下直线，该直线是金属壳的内周面沿着火花塞的轴线朝向前端侧的延伸线)。具体地，由于呈现优异导热性的内层被设置到比较靠近贵金属电极头的位置，所以可以借助内层传导贵金属电极头的热，这反过来能够实现贵金属电极头导热性能的增强。

此外，将位于燃烧室的中心且承受较大量热的贵金属电极头以使得贵金属电极头的中心轴线相对于接地电极的中心轴线朝向火花塞的轴线的基端侧错位的方式被接合到接地电极。也就是，贵金属电极头被设置在与燃烧室的中心偏离的位置。因此，能够相当地减少贵金属电极头在燃烧期间承受的热量，从而可以更可靠地防止耐剥离性和耐久性的下降。

此外，根据构造1，贵金属电极头被设置成使得投影面内的内层和贵金属电极头之间的重叠区占投影面内的内层的面积的比率为25％以上，该投影面是通过将接地电极的从接地电极的末端面侧观察的面沿接地电极的中心轴线投影到接地电极的与接地电极的中心轴线垂直的截面中的内层的截面积最大的截面上来定义的。简言之，使得内层和贵金属电极头之间沿接地电极的中心轴线得到的重叠区较大。结果，可以借助呈现优异导热性的内层更有效地将贵金属电极头的热传导向金属壳，从而可以进一步增强贵金属电极头的导热性能。结果，可以实现更好的耐剥离性和耐久性。

如上所述，由于采用构造1，实现了由各部分产生的效果的组合作用。通过该组合作用，可以飞跃地增强贵金属电极头的耐剥离性和耐久性。

此外，由于可以实现贵金属电极头的耐剥离性和耐久性大幅度提高，更可靠且有效地产生通过设置贵金属电极头的而获得的效果；也就是更可靠且有效地产生良好的耐火花消耗性。

构造2：在构造1中的内燃机用火花塞中，在所述投影面内所述内层和所述贵金属电极头之间的重叠区占的比率为28％以上。

根据构造2，可以进一步增强贵金属电极头的耐剥离性和耐久性。从进一步增强贵金属电极头的耐剥离性和耐久性的角度出发，优选地，增大内层和贵金属电极头之间沿着接地电极的中心轴线的重合度。因此，优选地，将重合度设定成30％以上。

构造3：在构造1或2中的内燃机用火花塞中，以如下方式接合所述贵金属电极头：所述贵金属电极头的中心轴线相对于所述接地电极的中心轴线朝向所述火花塞的轴线方向的所述基端侧错位0.1mm以上。

根据构造3，贵金属电极头被配置在进一步与燃烧室的中心偏离的位置。因此，可以实现贵金属电极头承受热量的进一步减少，可以实现更好的耐久性。

构造4：在构造1至3中的任一构造的内燃机用火花塞中，所述内层和所述贵金属电极头之间的最短距离被设定在0.5mm～2mm的范围。

根据构造4，内层和贵金属电极头之间的距离被设定为2mm以下。因此，呈现优异导热性的内层可以更有效地传导贵金属电极头的热。

另一方面，当内层和贵金属电极头之间的距离被设定成小于0.5mm的值时，贵金属电极头的热被过度地传导，这可能在贵金属电极头和接地电极之间引入温度差，且增大作用于贵金属电极头和接地电极之间的接合部的应力。在这方面，根据构造4，内层和贵金属电极头之间的最短距离被设定在0.5mm以上。因此，可以使贵金属电极头和接地电极之间的温度差较小，且可以使作用于贵金属电极头和接地电极之间的接合部的应力较小。

综上，通过将内层和贵金属电极头之间的最短距离设定在0.5mm～2mm的范围，可以充分地将贵金属电极头的热传导到使热不被过分传导的程度，从而可以实现更好的耐剥离性。

构造5：在构造1至4中的任一构造的内燃机用火花塞中，以所述贵金属电极头的末端面从所述接地电极的末端面突出的方式，将所述贵金属电极头接合到所述接地电极的靠近中心电极侧的内周面。

根据构造5，由于金属头被配置在与燃烧室的中心进一步偏离的位置，可以实现耐剥离性和耐久性的进一步增强。

构造6：在构造5的内燃机用火花塞中，所述贵金属电极头的接合到所述接地电极的部分沿着所述接地电极的中心轴线的长度被设定在0.5mm～1.5mm的范围。

当接地电极和贵金属电极头之间的接合部过大(过长)时，难以均一地焊接各接合部，这反过来容易导致焊接不规则。如果出现焊接不规则，热应力的差在接合部发展，这使得贵金属电极头较容易脱落。另一方面，当接地电极和贵金属电极头之间的接合部过小(过短)时，不能确保足够的接合强度，这可能产生耐剥离性下降的担忧。

在这方面，根据构造6，贵金属电极头的接合到接地电极的部分沿着接地电极的中心轴线的长度被设定在0.5mm～1.5mm的范围。因此，可以将发生焊接不规则的可能性最小化，并且可以确保足够的焊接强度。结果，可以实现更好的耐剥离性。

构造7：在构造5或6的内燃机用火花塞中，所述贵金属电极头从所述接地电极的内周面被埋设到所述接地电极中的深度被设定为0.1mm以上。

根据构造7，由于贵金属电极头在被埋设到足够深度的状态下被接合到接地电极，因此可以增强贵金属电极头和接地电极之间的强度，这反过来将耐剥离性提高到更高的程度。

构造8：在构造1至7中的任一构造的内燃机用火花塞中，所述接地电极的接合所述贵金属电极头的部分为平坦的。

根据构造8，由于使接地电极的将接合贵金属电极头的部分平坦，因此可以以比较容易、稳定的方式将贵金属电极头接合到接地电极。结果，可以进一步增强贵金属电极头和接地电极之间的接合强度，可以实现贵金属电极头的更好的耐剥离性。

构造8对于如下情况作用显著：为了通过使混合空气容易地流入火花放电间隙而增强点火性，使用截面为圆形形状等的接地电极。

构造9：在构造8的内燃机用火花塞中，所述接地电极的内周面被切削或压制，以使将接合所述贵金属电极头的部分平坦。

根据构造9，可以以比较容易的方式使接地电极的将接合贵金属电极头的部分平坦。此外，对该部分进行切削、压制等，由此接地电极的内周面朝向外周面凹陷。通过将贵金属电极头接合到凹部，可以比较容易地增大内层和贵金属电极头沿着接地电极的中心轴线的重合度。具体地，可以比较容易地实施构造1，比较容易且更可靠地增强耐剥离性和耐久性。

构造10：在构造1至9中的任一构造的内燃机用火花塞中，所述贵金属电极头的末端面被配置成与所述中心电极的前端部相对；以及大致沿着垂直于所述火花塞的轴线方向的方向产生火花放电。

在构造10中，关于各构造的上述技术构思可以实施为产生所谓的横向火花的火花塞的形式。在这种情况下，可以使接地电极朝向燃烧室的中心的突出量较小。因此，可以进一步减少接地电极和贵金属电极头承受的热量，从而可以将耐剥离性和耐久性增强到更高的程度。

构造11：在构造1至9中的任一构造的内燃机用火花塞中，所述贵金属电极头的所述火花塞的轴线方向上的端面被配置成与所述中心电极的前端部相对；以及大致沿着所述火花塞的轴线方向产生火花放电。

在构造11中，关于各构造的上述技术构思可以实施为产生所谓的纵向火花的火花塞的形式。在这种情况下，火花放电间隙位于更靠近燃烧室的中心的位置，从而可以实现优异的点火性。

构造12：在该构造的内燃机用火花塞中，所述贵金属电极头的末端面被配置成在比所述中心电极靠前端侧的位置与所述火花塞的轴线相对；以及相对于所述火花塞的轴线方向倾斜地产生火花放电。

在构造12中，关于各构造的上述技术构思可以实施为产生所谓的倾向(diagonal direction)火花的火花塞的形式。在这种情况下，可以使接地电极的突出量较小。因此，可以减少接地电极等承受的热量，从而可以实现更好的耐剥离性。此外，在产生纵向火花的火花塞的情况下，存在接地电极可能阻碍朝向燃烧室中心的火焰传播的担忧。然而，构造12能够消除该担忧，且可以实现火焰传播性的增强。通过采用产生倾向火花的火花塞，可以以良好平衡的方式增强耐剥离性和火焰传播性。

构造13：在构造1至12中的任一构造的内燃机用火花塞中，所述接地电极在与所述接地电极的中心轴线垂直的截面内的最大截面积被设定为3.3mm²以下。

响应减小火花塞直径的要求(例如，螺纹的外径为M 12以下)，通常使金属壳的接合接地电极的前端面的部分较小。此外，为了应对具有较小前端面的这种金属壳，可以采用较小的接地电极(具有较小的截面积)。此外，从有助于混合气体流入火花放电间隙的角度出发，如上所述，当接地电极形成为具有圆形截面形状等时，接地电极的截面积很可能较小。当使接地电极的截面积较小时，借助接地电极来进行的从贵金属电极头的导热性能很可能不足。具体地，对于具有较小截面积的接地电极，额外地担心贵金属电极头的耐剥离性和耐久性的下降。

在这方面，构造13的接地电极具有3.3mm²以下的比较小的最大截面积，这引起对耐剥离性和耐久性下降的担忧。然而，可以采用构造1等来实现从贵金属电极头的足够地导热的导热性能。换言之，当接地电极的截面积较小时，采用构造1等可以说是显著的。

特别地，当接地电极的截面积小时(当截面积为3.3mm²以下时)，能够更有效地产生通过将投影面中内层和贵金属电极头之间的重叠占投影面中的内层的比率(重合度)为25％以上所获得的效果。更具体地，关于以重合度较小(小于25％)时所得到的导热性能为基准，重合度较大(25％以上)时所得到的导热性能提高的比率，当接地电极的截面积变小时，可进一步增大导热性能提高的比率。具体地，当接地电极的截面积较小时，可以说将重合度增大到25％以上特别显著。

构造14：在构造1至13中的任一构造的内燃机用火花塞中，满足关系0.35≤a/A≤0.60，其中：“A”是在所述投影面内所述内层沿着所述内层的宽度方向的长度；“a”是在所述投影面内所述内层和所述贵金属电极头之间的重叠区沿着所述内层的宽度方向的长度。

表述“内层的宽度方向”是指与包括火花塞的轴线和接地电极的中心轴线两者的平面垂直的方向。

根据构造14，可以使内层和贵金属电极头之间沿着接地电极的中心轴线的重合度较大。因此，可以进一步增强贵金属电极头的导热性能。

当0.35＞a/A时，可能不能足够地产生贵金属电极头的导热性能的增强效果。相比之下，当a/A＞0.60时，也就是，当贵金属电极头的埋设在接地电极中的体积进一步增大时，难以借助电阻焊接来结合贵金属电极头。由此，必须通过切削等在接地电极中形成凹部，然后将贵金属电极头接合到凹部。因此，当a/A＞0.60时，可能导致贵金属电极头接合时所用的步骤的数量的增多。此外，在接地电极中可能以凹部为基点发生折损等，或者接地电极可能易于加热。

构造15：在构造1至14中的任一构造的内燃机用火花塞中，满足关系0.07≤b/A≤0.40，其中：“A”是在所述投影面内所述内层沿着所述内层的宽度方向的长度；以及“b”是在所投影面内所述内层和所述贵金属电极头之间的重叠区沿着与所述内层的宽度方向垂直的方向的长度。

根据构造15，可以进一步增大内层和贵金属电极头之间沿着接地电极的中心轴线的重叠区。结果，可以实现贵金属电极头的导热性能的进一步增强。

当0.07＞b/A时，可能不能足够地产生贵金属电极头的导热性能的增强效果。相比之下，当b/A＞0.40时，如设定关系a/A＞0.60的上述情况那样，可能导致贵金属电极头接合时所用的步骤的数量的增多，以及接地电极中可能以凹部为基点发生折损等。

附图说明

图1是示出本实施方式的火花塞的结构的局部剖切主视图；

图2(a)是示出火花塞的前端部的结构的局部剖切放大主视图，图2(b)是从接地电极的末端侧观察接地电极等时得到的局部放大侧视图；

图3的(a)是示出内层和贵金属电极头之间的最短距离等的放大剖视图，图3的(b)是示出在投影面内内层和贵金属电极头之间的重叠区等的示意图；

图4是示出贵金属电极头与重合度之间的关系的图；

图5是示出电极头的错位量和氧化皮比率的关系的图；

图6是用于说明在试验中使用的样品的概念的剖面端面图(为了方便起见省略阴影线)；

图7是示出内层和贵金属电极头之间的最短距离与氧化皮比率之间的关系的图；

图8是示出接合部的长度、埋设区的深度和氧化皮比率之间的关系的图；

图9是示出接地电极的最大截面积和温度下降率之间的关系的图；

图10(a)是示出另一实施方式的接地电极等的结构的局部放大主视图，图10(b)是从接地电极的末端侧观察另一实施方式的接地电极等时获取的局部放大侧视图；

图11是示出另一实施方式的火花塞的前端部的结构的局部放大主视图；

图12是示出另一实施方式的火花塞的前端部的结构的局部放大主视图；

图13(a)至图13(c)是从接地电极的末端侧观察另一实施方式的接地电极等时获取的局部放大侧视图；

图14(a)至图14(c)是从接地电极的末端侧观察另一实施方式的接地电极等时获取的局部放大侧视图；以及

图15是用于示出另一实施方式的投影面内的内层和重叠区的宽度方向长度等的示意图。

附图标记说明

1 内燃机用火花塞

2 绝缘体(绝缘元件)

3 金属壳

4 轴向孔

5 中心电极

26 (金属壳的)前端部

27 接地电极

27A 外层

27B 内层

27f (接地电极的)末端面

27i (接地电极的)内周面

32 贵金属电极头

32f (贵金属电极头的)末端面

33 火花放电间隙(间隙)

CL1 轴线

CL2 (接地电极的)中心轴线

CL3 (贵金属电极头的)中心轴线

OA 重叠区

PH 投影面

SL 直线

C 最短距离

D (接合部的)长度

E 埋设部的深度

具体实施方式

以下，将参考附图说明实施方式。图1是示出内燃机用火花塞(下文称为“火花塞”)1的局部剖切主视图。在图1中，假设火花塞1的轴线CL1的方向为图中的上下方向，并且在假设下侧是火花塞1的前端侧，上侧是火花塞1的基端侧的基础上进行说明。

火花塞1包括用作绝缘体的圆筒状的绝缘体2、保持绝缘体的圆筒状的金属壳3等。

众所周知，通过对氧化铝等进行烧结而形成绝缘体2，并且该绝缘体2的外形部包括：基端侧体部10，其形成于基端侧；大径部11，其以沿径向向外突出的方式形成于基端侧体部10的前端侧；中间体部12，其形成于大径部11的前端侧，且直径比大径部11的直径小；以及腿部13，其形成于中间体部12的前端侧，且直径比中间体部12的直径小。在绝缘体2中，腿部13的大部分、大径部11和中间体部12被容纳在金属壳3中。锥状台阶部14形成于腿部13和中间体部12之间的连接部，绝缘体2借助于台阶部14接合固定到金属壳3。

此外，轴向孔4以沿轴线CL1贯通绝缘体2的方式形成于绝缘体2中。中心电极5被插入固定到轴向孔4的前端侧。中心电极5整体为棒状(柱状)，中心电极5的前端面形成为平坦的，且从绝缘体2的前端突出。此外，中心电极5包括由铜或铜合金制成的内层5A和由含镍(Ni)作为主要成分的Ni合金制成的外层5B。此外，由贵金属合金(例如，铱合金)制成的柱状的贵金属部31被设置于中心电极5的前端。更具体地，通过借助于激光焊接等在外层5B和贵金属部31之间的接触面的外周产生熔融部41(参照图2(a)等)来形成贵金属部31。

端子电极6以从绝缘体2的基端突出的状态被插入固定到轴向孔4的基端侧。

柱状的电阻体7被设置在轴向孔4中的中心电极5和端子电极6之间的位置。电阻体7的一端借助于导电玻璃密封层8电连接到中心电极5，电阻体7的另一端借助于导电密封玻璃层9电连接到端子电极6。

此外，金属壳3由例如低碳钢等金属形成为圆筒状。用于将火花塞1安装到发动机盖的螺纹(外螺纹)15形成于金属壳的外周。座部16形成于螺纹15的基端侧的外周面，且环状垫圈18嵌设在螺纹颈17的周围，该螺纹颈17被设置于螺纹15的基端。此外，工具接合部19被设置于金属壳3的基端侧，该工具接合部19用于在将金属壳3固定到发动机盖时与例如扳手等工具接合，且具有六角形的截面形状。用于保持绝缘体2的弯边部(clampingportion)20被设置于金属壳的基端。

用于紧固接合绝缘体2的锥状台阶部21被设置于金属壳3的内周。绝缘体2从金属壳3的基端侧插入到前端侧。在绝缘体的台阶部14保持紧固接合到金属壳3的台阶部21的状态下，设置在金属壳3的基端侧的开口被沿径向向内弯边；也就是，形成弯边部20，从而紧固绝缘体2。环形板状密封件22被夹在绝缘体2的台阶部14和金属壳3的台阶部21之间。由此，保持燃烧室中的气密性，以防止进入到绝缘体2的暴露在燃烧室内部的腿部13与金属壳3的内周面之间的燃料气体泄露到外部。

此外，为了使通过弯边实现的气密性更完美，在金属壳3的基端侧，环形圈构件23和24被夹在金属壳3和绝缘体2之间，且圈构件23和24之间的空间利用滑石粉(滑石)25填充。具体地，金属壳3借助于板状密封件22、圈构件23和24以及滑石25来保持绝缘体2。

由Ni合金等制成的接地电极27被接合到金属壳3的前端部26的前端面。此外，接地电极27被形成为：通过弯曲接地电极的末端侧，使末端面27f与中心电极5(贵金属部31)的侧面相面对。

此外，如图2(a)所示，在本实施方式中，接地电极27由两层结构构成，该两层结构包括外层27A和内层27B。更具体地，外层27A是由Ni合金(例如Inconel 600或Inconel 601，两者均为注册商标)制成的。另一方面，内层27B是由在导热性方面优于Ni合金的铜合金或纯铜制成的。此外，如图2(b)所示，接地电极27的截面为圆形，接地电极27在与接地电极27的中心轴线CL2垂直的截面内的最大截面积被设定为3.3mm²以下。

回到图2(b)，由贵金属合金(如铂合金)制成的棱柱状的贵金属电极头32被接合到接地电极27的内周面27i的末端部。更具体地，贵金属电极头32以如下方式被接合：使贵金属电极头32的一部分埋设到接地电极27中，且使贵金属电极头的末端面32f在与轴线CL1垂直的方向上从接地电极27的末端面27f突出。作为间隙的火花放电间隙33形成在贵金属部31的侧面和贵金属电极头32的末端之间，并且沿与轴线CL 1大致垂直的方向发生火花放电。

此外，如图3(a)所示，贵金属电极头32以使贵金属电极头32的末端面32f与中心电极5(贵金属部31)的侧面相面对的方式被接合到接地电极27。更具体地，在贵金属电极头32的中心轴线CL3相对于接地电极27的中心轴线CL2朝向轴线CL1的方向的基端侧(朝向金属壳3)错位0.1mm以上的状态下，贵金属电极头32被接合到接地电极27。在接地电极27的中心轴线CL2和轴线CL1穿过的截面中，内层27B的末端比直线SL靠近轴线CL1，其中，直线SL是金属壳3的内周面(也就是接地电极27的基端)在上述截面中沿着轴线CL1的方向的延长线。内层27B以一直延伸到接地电极27的末端部的方式设置。在本实施方式中，内层27B和贵金属电极头32之间的最短距离C被设定在0.5mm～2mm的范围(例如1mm)。此外，贵金属电极头32的接合到接地电极27的部分沿接地电极27的中心轴线CL2方向的长度D(接合部的长度)被设定在0.5mm～1.5mm的范围。贵金属电极头32的被埋设的部分从接地电极27的内周面27i起的深度E被设定成0.1mm以上。

如图3(b)所示，投影面PH中的内层27B和贵金属电极头32之间的重叠区OA(图中的标点的部分)占投影面PH中的内层27B的比率(重合度)为25％以上，其中，投影面PH是通过将接地电极27的从接地电极27的末端面27f侧观察的面沿接地电极27的中心轴线CL2投影到与接地电极27的中心轴线CL2垂直的截面中的内层27B的截面积最大的截面上来定义的。

现在将说明如上所述构造的火花塞1的制造方法。首先，预先加工金属壳3。具体地，借助冷锻在柱状金属材料(铁基材料和不锈钢材料，例如S17C和S25C)中形成通孔，由此形成大概的形状。然后对材料切削加工，以修整外形，并且得到作为中间体(semi-manufactured)的金属壳。

接着，具有由Ni合金和铜合金构成的双层结构的接地电极27被电阻焊接到中间体的金属壳的前端面。由于在焊接期间出现所谓的“下垂”(sag)，在分离“下垂”之后通过滚齿(rolling)在中间体的金属壳的预定部位形成螺纹15。由此获得焊接有接地电极27的金属壳3。焊接有接地电极27的金属壳3接受镀锌或镀镍处理。为了增强耐腐蚀性，金属壳的表面可以进一步镀铬。

另一方面，绝缘体2预先与金属壳3分开地成型。例如，通过使用包括作为主要成分的氧化铝且还包括粘合剂等的粉末状材料制备用于成型的粒状基材，使用粒状物质进行橡胶挤压成型，由此获得圆筒状成型元件。对如此获得的成型元件进行切削加工，由此进行修整。如此修整的元件被投入到炉中并且烧结，由此获得绝缘体2。

与金属壳3和绝缘体2分开地，预先制造中心电极5。具体地，锻压Ni合金，为了增强散热特性，在Ni合金的中央设置由铜合金制成的内层5A。接着，贵金属部31被激光焊接到中心电极5的前端面。更具体地，在外层5B的前端面和柱状贵金属部31的基端面彼此重合之后，二者的接触区的外周面被暴露至激光束，由此，形成熔融部41。由此在中心电极5的前端设置贵金属部31。

由玻璃密封层8和9来密封固定如此获得的绝缘体2、中心电极5、电阻体7和端子电极6。玻璃密封层8和9通常是通过将硼硅酸盐玻璃和金属粉末混合在一起制备的。如此制备的物质以夹着电阻体7的方式被注入绝缘体2的轴向孔4，然后在绝缘体2在炉中被加热的状态下，端子电极6随后从后方挤压制备的物质，由此玻璃密封层被烧结和硬化。此时，还可以同时将釉层烧结在绝缘体2的基端侧体部10的表面上，或者还可以预先形成釉层。

然后，将具有如上所述地制造的中心电极5和端子电极6的绝缘体2与具有接地电极27的金属壳3组装在一起。更具体地，形成于金属壳3的基端侧的较薄的开口被径向向内地弯边；也就是，形成弯边部20，由此将绝缘体2和金属壳3紧固在一起。

接着，贵金属电极头32被电焊接到接地电极27的末端部。此时，贵金属电极头32被较深地埋设在接地电极27中。从而，投影面PH中的内层27B和贵金属电极头32之间的重叠区OA占投影面PH中的内层27B的比率(重合度)为25％以上。最后，弯曲接地电极27，由此实施用于调整中心电极5(贵金属部31)和设置在接地电极27上的贵金属电极头32之间的火花放电间隙33的加工。

如上面详细地描述的那样，根据本实施方式，接地电极27具有双层结构，该双层结构包括外层27A和包含在导热性方面优于外层27A的材料的内层27B。在接地电极27的中心轴线CL2和轴线CL1穿过的截面中，内层27B一直延伸到截面到达直线SL的位置(在本实施方式中，内层27B一直延伸到内层27B和贵金属电极头32之间的最短距离达到0.5mm～2mm的位置)，其中，直线SL为金属壳3的内周面沿着轴线CL1的方向向前端侧延伸的延长线。具体地，呈现优异导热性的内层27B被设置到比较靠近贵金属电极头32的位置。因此，借助于内层27B可以容易地对贵金属电极头32进行导热，这反过来增强贵金属电极头32的导热性能。

此外，在贵金属电极头的中心轴线CL3相对于接地电极27的中心轴线CL2朝向轴线CL1的方向的基端侧(朝向金属壳3)错位(在该实施方式中，错位0.1mm以上)的状态下，将位于燃烧室的中心且承受大量的热的贵金属电极头32被接合到接地电极27。也就是，贵金属电极头32被设置在从燃烧室的中心偏离的位置。因此，可以相当地减少贵金属电极头32在燃烧期间承受的热量，从而能更可靠地防止耐剥离性和耐久性的下降。

此外，在投影面PH中内层27B和贵金属电极头32之间的重叠区OA占投影面PH中的内层27B的面积的比率被设定为25％以上。结果，可以借助于呈现优异导热性的内层27B将贵金属电极头32的大量的热向金属壳3传导，从而更能提高贵金属电极头32的导热性能。结果，可以实现更好的耐剥离性和耐久性。

此外，贵金属电极头32的接合到接地电极27的部分在接地电极27的中心轴线CL2方向上的长度(接合部的长度)被设定在0.5mm～1.5mm的范围。因此，可以使各个接合部发生焊接不规则的可能性最小化，可以确保足够的结合强度。结果，可以实现更好的耐剥离性。

此外，贵金属电极头32以足够的深度E(0.1mm以上)接合到接地电极27。因此，可以增强贵金属电极头32和接地电极27之间的接合强度，进一步地，可以获得更好的耐剥离性。

如上所述，由各区域呈现的有益效果以组合的方式起作用，借助于有益效果的相互作用，贵金属电极头32的耐剥离性和耐久性飞跃地增强。

在本实施方式中，接地电极27形成为圆形的截面形状。因此，可以有助于混合空气流入火花放电间隙33，从而可以获得更好的点火性。

贵金属电极头32的末端面32f在与轴线CL1垂直的方向上从接地电极27的末端面27f突出；因此，可以获得更好的点火性的增强。

为了确认本发明所实现的效果，通过遵循有限元方法(FEM)的模拟来分析内层和贵金属电极头之间的重叠占据投影面的比率与贵金属电极头的温度之间的关系。现在对模拟分析进行详细说明。当将火花塞安装到发动机上(即，热从接地电极朝向金属壳传导)且重合度为0％时，以使贵金属电极头的温度达到1000℃的方式设定环境温度。分析贵金属电极头的温度随着重合度变化的变化。图4示出了分析结果。

如图4所示，当重合度小于25％时，贵金属电极头的温度几乎没有实质变化。然而，当重合度达到25％以上时，明显地显示出贵金属电极头的温度下降和贵金属电极头的有效导热。对此，可以想到的原因在于：借助于呈现优异导热性的内层，贵金属电极头的热被有效地朝金属壳传导。

还可以看到，当重合度达到28％以上时，实现贵金属电极头的更大的温度的下降和贵金属电极头的更有效的导热。因此，从实现贵金属电极头的更优异的导热性能的角度出发，将重合度设定成28％以上(例如，30％以上)可以说是更优选的。

接着，制造在贵金属电极头的中心轴线相对于接地电极的中心轴线的错位量(电极头错位量)方面变化的各样品火花塞，并且各样品进行冷热耐久性试验(heat-cold endurance test)。冷热耐久性试验的概况如下。具体地，各样品被安装到4气门、2000cc发动机。一个周期包括一分钟的怠速状态和一分钟的负荷状态(发动机的转数＝5000rpm)。发动机被驱动100个周期。在100个周期以后，观察各样品的截面积，由此测量所形成的氧化皮的长度K(参照图6)与接地电极和贵金属电极头之间的交界区的长度J(也参照图6，其为示意图)的比率(氧化皮比率)。图5示出电极头错位量和氧化皮比率之间的关系。氧化皮比率越大表示接地电极和贵金属电极头之间的接合部中产生越大的热应力差，这反过来意味着耐剥离性不足。此外，基于如下假设来表示电极头错位量：沿火花塞的轴线方向相对于作为基准点的接地电极的中心轴线朝向前端侧的错位量表示为负值，沿火花塞的轴线方向相对于作为基准点的接地电极的中心轴线朝向基端侧的错位量表示为正值。

如图5所示，应当理解的是，电极头错位量为0mm以上的样品能将氧化皮比率降低到较低水平，且呈现足够的耐剥离性。对此，可以想到的原因在于：由于贵金属电极头被设置在与燃烧室的中心分离开的位置，因此可以相当程度地减小贵金属电极头在燃烧期间承受的热量。此外，显然的是，电极头错位量为0.1mm以上的样品显示出40％以下的氧化皮比率并且呈现优异的耐剥离性。因此，从实现更大的耐剥离性的增强的角度出发，可以说更期望的是将电极头的错位量设定为0.1mm以上的值。

制备内层和贵金属电极头之间的最短距离“SC”变化的各样品火花塞。各样品接受机上燃烧器评价试验(desk burnerevaluation test)(借助于燃烧器对样品加热2分钟，以使贵金属电极头达到950℃，对如此加热的样品缓慢冷却1分钟。这些操作构成一个周期，通过重复该操作1000周期来进行试验)。然后，测量氧化皮比率。图7是示出表示最短距离“SC”和氧化皮比率之间的关系的图。

如图7所示，可以理解的是，当贵金属电极头和内层之间的最短距离“SC”被设定成不到0.5mm的值以及当最短距离“SC”超过2mm时，氧化皮比率超过50％，由此耐剥离性变得不足。对此，可以想到的原因如下。具体地，当最短距离“SC”被设定成不到0.5mm的值时，贵金属电极头的热被过度地传导，这在接地电极和贵金属电极头之间的接合部中引入较大的热应力。另一可以想到的原因在于：当最短距离“SC”超过2mm时，热不易于从贵金属电极头传导到内层，这反过来导致贵金属电极头的导热不足。

另一方面，可以清楚的是，当贵金属电极头和内层之间的最短距离“SC”被设定在0.5mm～2mm的范围时，氧化皮比率小于50％，且呈现优异的耐剥离性。对此，可以想到的原因在于：贵金属电极头的热可以被充分地传导到使导热不过度的程度。从进一步增强耐剥离性的角度出发，优选地将最短距离“SC”设定在0.5mm～1.8mm的范围；可以说将“SC”设定在1mm～1.5mm的范围是更优选地。

制备贵金属电极头与接地电极的接合部的长度“SD”和埋设部的深度(SE)变化的各样品火花塞。对各样品进行机上燃烧器评价试验(借助于燃烧器对样品加热2分钟，以使贵金属电极头达到1000℃，对如此加热的样品缓慢冷却1分钟。这些操作构成一个周期，试验涉及周期的重复)。然后，测量氧化皮比率到达50％(50％氧化皮达到周期)的周期数目。图8示出试验结果。在图8中，当埋设部的深度“SE”被设定成0.05mm时获得的试验结果用叉号绘制。当埋设部的深度“SE”被设定成0.1mm时获得的试验结果用实心方框绘制。当埋设部的深度“SE”被设定成0.2mm时获得的试验结果用实心圆绘制。当埋设部的深度“SE”被设定成0.3mm时获得的试验结果用实心三角形绘制。

如图8所示，对于接合部的长度“SD”不到0.5mm的样品，50％氧化皮达到周期为1000周期以下，这表示氧化皮易于发展；也就是，耐剥离性不够。对此，可以想到的原因在于：由于接合部过小不能确保足够的结合强度。即使对于接合部的长度“SD”大于1.5mm的样品，50％氧化皮达到周期也为1000周期以下，这表示耐剥离性不够。对此，可以想到的原因在于：由于贵金属电极头的接合到对应的接地电极的部分过大，在各接合部发生焊接不规则。

相比之下，除了接合部的深度“SE”为0.05mm的样品之外，对于接合部的长度“SD”在0.5mm～1.5mm的范围的样品，50％氧化皮达到周期超过1000周期，这表示呈现优异的耐剥离性。对此，可以想到的原因在于：可以使发生焊接不规则的可能性最小化并且可以确保足够的结合强度。

通过遵循有限元方法(FEM)的模拟来分析接地电极的最大截面积和贵金属电极头的温度之间的关系(例如温度等模拟条件设定如下：以如下方式设定环境温度，在将火花塞安装于发动机(即，从接地电极向金属壳导热的状态下)且重合度为0％的状态下、使贵金属电极头的温度达到1000℃)。在以接地电极的最大截面积和当重合度被设定为0％时得到的贵金属电极头的温度作为基准的情况下，计算出的表示当重合度被设定为50％时贵金属电极头的温度下降程度的比率(温度下降率)的关系。图9示出接地电极的最大截面积和温度下降率之间的关系。

如图9所示，清楚的是，对于接地电极的最大截面积为3.3mm²以下的样品，温度下降率比较大。具体地，对于具有较小截面积的接地电极，存在耐剥离性和耐久性下降的担忧。然而，应该理解的是，当接地电极的截面积小于3.3mm²时，通过将重合度设定成25％以上所产生的效果更有效。因此，可以说当接地电极的截面积较小时，即3.3mm²以下时，将重合度设定成25％以上更有效。

本发明不限于所述的实施方式，而是可以例如实现如下。无须明言，下面未提供的本发明的其它示例应用或变形当然也是可以的。

(a)为了说明的方便，在本实施方式中，接地电极27被说明为仅具有两层结构；然而，接地电极可以具有三层结构或四层以上的多层结构。期望的是，外层27A之内的层包括呈现比外层27A更好的导热性的金属。例如，也可以在外层27A的内侧设置由铜合金或纯铜制成的中间层，且可以在中间层的内侧设置由纯镍制成的最内层。此外，当接地电极具有三层以上结构时，位于外层27A的内侧且包括导热性比外层27A的导热性高的金属的多个层与内层27B对应。当采用例如具有中间层和最内层的上述结构时，中间层和最内层与内层27B对应。

(b)在本实施方式中，在贵金属电极头32的中心轴线CL3相对于接地电极27的中心轴线CL2朝向轴线CL 1的方向的基端侧错位0.1mm的状态下，接合贵金属电极头32。基本要求是贵金属电极头32的中心轴线CL3相对于接地电极27的中心轴线CL2朝向轴线CL 1的方向的基端侧错位。贵金属电极头32的错位量还可以为0.1mm以下。

(c)如图10(a)和图10(b)所示，尽管未对本实施方式特别说明，接地电极27的内周面27i的末端部也可以通过切削或压制而形成为平坦的，且被接合到贵金属电极头32。在这种情况下，贵金属电极头32可以以比较容易、稳定的方式接合到接地电极27。结果，可以进一步加强贵金属电极头32和接地电极27的结合强度，可以实现更好的耐剥离性。接地电极27的内周面可以通过切削等形成为具有朝向外周面侧凹陷的凹部形状。贵金属电极头32被接合到该凹部，由此可以以比较容易的方式增大内层27B和贵金属电极头32沿着接地电极27的中心轴线CL2实现的重叠区。因此，可以以比较容易且更可靠的方式增强耐剥离性和耐久性。

(d)在本实施方式中，贵金属电极头32的末端面32f被构造成与中心电极5的侧面(贵金属部31)相对。然而，如图11所示，贵金属电极头32的末端面32f也可以被构造成在比中心电极5靠前端侧的位置与轴线CL1相对。在这种情况下，可以实现耐剥离性和火焰传播性增强的平衡。

(e)如图12所示，贵金属电极头32的在轴线CL1的方向上得到的端面也可以被构造成与中心电极5(贵金属部31)的前端部相对。在这种情况下，由于火花放电间隙33到达更靠近燃烧室的中心的位置，可以实现优异的点火性。

(f)在本实施方式中，接地电极27被赋予圆形的截面形状，然而，不特别限定接地电极27的截面形状。因此，如图13(a)所示，接地电极27也可以构造成具有长圆形(oblong)的截面形状。可选地，如图13(b)所示，接地电极也可以被构造成具有如下截面形状(八角形截面形状)：该截面形状是通过为矩形截面形状的四个角设置平坦面状的倒角部27ch来实现的。可选地，如图13(c)所示，接地电极也可以被构造成使四个角设置有弯曲部27cu，以替换切口部27ch(也可以仅用弯曲部27cu替换部分切口部27ch)。在这种情况下，和接地电极27设置有圆形的截面形状的情况一样，可以有助于混合空气流入火花放电间隙33，可以实现更好的点火性。

如图14(a)、图14(b)、图14(c)所示，可以对接地电极27的内周面27i的末端部进行切削、压制等，由此使内周面27i平坦。

(g)尽管在本实施方式中未特别说明，但是可以对贵金属电极头32相对于内层27B的配置位置进行调节，以满足0.35≤a/A≤0.60的关系，如图15所示，在投影面PH内沿内层27B的宽度方向得到的内层27B的长度作为“A”，在投影面PH内沿该宽度方向得到的重叠区OA的长度作为“a”。在这种情况下，可以使内层27B和贵金属电极头32之间沿着接地电极27的中心轴线CL2得到的重叠区OA更大。因此，可以将贵金属电极头32的导热性能增强到更大的程度。

也可以将贵金属电极头32相对于内层27B的配置位置调节成满足0.07≤b/A≤0.40的关系，在投影面PH内沿着与内层27B的宽度方向垂直的方向得到的重叠区的长度作为“b”。当贵金属电极头被构造成满足0.07≤b/A≤0.40的关系时，可以使重叠区OA更大。因此，可以实现贵金属电极头32的更好的导热性能。通过将贵金属电极头构造成同时满足0.35≤a/A≤0.60的关系和0.07≤b/A≤0.40的关系，可以飞跃地增强贵金属电极头32的导热性能。

(h)在本实施方式中，实施贵金属部31被设置在中心电极5的前端部的情况。然而，也可以采用省略贵金属部31的构造。

(i)在本实施方式中，实施接地电极27被接合到金属壳3的前端部26的前端面的情况。然而，本发明也适用于切掉金属壳的一部分(或者预先焊接到金属壳的前端金属配件的一部分)，以由此形成接地电极的情况(如日本特开2006-236906号公报等所述)。此外，接地电极27也可以接合到金属壳3的前端部26的侧面。

(j)在本实施方式中，工具接合部19设置有六角形的截面形状；然而，工具接合部19的形状不限于这种形状。例如，工具接合部可以被赋予如Bi-HEX的形状(变形12角形状)(ISO22977：2005(E))等。

Claims

1.一种内燃机用火花塞，其包括：

棒状的中心电极，其沿火花塞的轴线方向延伸；

大致圆筒状的绝缘体，其具有沿所述火花塞的轴线方向延伸的轴向孔，所述中心电极被设置在所述轴向孔中；

大致圆筒状的金属壳，其设置在所述绝缘体的外周；

接地电极，其从所述金属壳的前端部延伸，且所述接地电极的末端被朝向所述中心电极弯曲；以及

贵金属电极头，其被接合到所述接地电极的末端部，其中：

在所述中心电极的前端部和所述贵金属电极头之间形成间隙；

以如下方式接合所述贵金属电极头：所述贵金属电极头的中心轴线相对于所述接地电极的中心轴线朝向所述火花塞的轴线方向的基端侧错位；

所述接地电极包括由镍合金制成的外层和由导热性优于所述外层的导热性的材料制成的内层；

所述内层的末端位于比所述接地电极的基端靠近所述火花塞的轴线的位置；以及

在投影面内所述内层和所述贵金属电极头之间的重叠区占的比率为25％以上，所述投影面的定义如下：通过将所述接地电极的从所述接地电极的末端面侧观察的面沿所述接地电极的中心轴线投影到，所述接地电极的与所述接地电极的中心轴线垂直的截面中的所述内层的截面积最大的截面上，来定义所述投影面。

2.根据权利要求1所述的内燃机用火花塞，其特征在于，在所述投影面内所述内层和所述贵金属电极头之间的重叠区占的比率为28％以上。

3.根据权利要求1或2所述的内燃机用火花塞，其特征在于，以如下方式接合所述贵金属电极头：所述贵金属电极头的中心轴线相对于所述接地电极的中心轴线朝向所述火花塞的轴线方向的所述基端侧错位0.1mm以上。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的内燃机用火花塞，其特征在于，所述内层和所述贵金属电极头之间的最短距离被设定在0.5mm～2mm的范围。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的内燃机用火花塞，其特征在于，以所述贵金属电极头的末端面从所述接地电极的末端面突出的方式，将所述贵金属电极头接合到所述接地电极的靠近中心电极侧的内周面。

6.根据权利要求5所述的内燃机用火花塞，其特征在于，所述贵金属电极头的接合到所述接地电极的部分沿着所述接地电极的中心轴线的长度被设定在0.5mm～1.5mm的范围。

7.根据权利要求5或6所述的内燃机用火花塞，其特征在于，所述贵金属电极头从所述接地电极的内周面被埋设到所述接地电极中的深度被设定为0.1mm以上。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的内燃机用火花塞，其特征在于，所述接地电极的接合所述贵金属电极头的部分为平坦的。

9.根据权利要求8所述的内燃机用火花塞，其特征在于，所述接地电极的内周面被切削或压制，以使将接合所述贵金属电极头的部分平坦。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的内燃机用火花塞，其特征在于，所述贵金属电极头的末端面被配置成与所述中心电极的前端部相对；以及

大致沿着垂直于所述火花塞的轴线方向的方向产生火花放电。

11.根据权利要求1至9中的任一项所述的内燃机用火花塞，其特征在于，所述贵金属电极头的所述火花塞的轴线方向上的端面被配置成与所述中心电极的前端部相对；以及

大致沿着所述火花塞的轴线方向产生火花放电。

12.根据权利要求1至9中的任一项所述的内燃机用火花塞，其特征在于，所述贵金属电极头的末端面被配置成在比所述中心电极靠前端侧的位置与所述火花塞的轴线相对；以及

相对于所述火花塞的轴线方向倾斜地产生火花放电。

13.根据权利要求1至12中的任一项所述的内燃机用火花塞，其特征在于，所述接地电极在与所述接地电极的中心轴线垂直的截面内的最大截面积被设定为3.3mm²以下。

14.根据权利要求1至13中的任一项所述的内燃机用火花塞，其特征在于，满足关系0.35≤a/A≤0.60，其中：

“A”是在所述投影面内所述内层沿着所述内层的宽度方向的长度；

“a”是在所述投影面内所述内层和所述贵金属电极头之间的重叠区沿着所述内层的宽度方向的长度。

15.根据权利要求1至14中的任一项所述的内燃机用火花塞，其特征在于，满足关系0.07≤b/A≤0.40，其中：

“A”是在所述投影面内所述内层沿着所述内层的宽度方向的长度；以及

“b”是在所投影面内所述内层和所述贵金属电极头之间的重叠区沿着与所述内层的宽度方向垂直的方向的长度。