CN102165656A - 火花塞 - Google Patents

Abstract

提供一种火花塞，其可在防止绝缘体出现裂纹的同时确保金属壳与绝缘体之间的气密性。提供一种火花塞，其中，突出部(30)形成于金属壳(11)，突出部的内径朝向前端部逐渐减小，台阶部(32)形成于绝缘体(12)，台阶部的外径朝向前端部逐渐减小，并且台阶部面对突出部(30)，密封件(34)被布置在突出部(30)和台阶部(32)之间，所述火花塞的特征在于，突出部(30)与台阶部(32)之间的距离随着突出部(30)与台阶部(32)径向向内延伸而减小，并且突出部(30)与台阶部(32)所形成的角(θ)为1度以上并且10度以下。

Description

火花塞

技术领域

本发明涉及一种内燃机用火花塞。

背景技术

在内燃机用火花塞中，接地电极被焊接于金属壳的燃烧室侧的前端部，使得接地电极的自由端部与中心电极的前端部面对，以形成火花放电间隙，其中，该金属壳保持插入有中心电极的绝缘构件(绝缘体)。于是，在中心电极和接地电极之间发生火花放电，从而对暴露于两个电极之间的空气/燃料混合物点火，以形成火焰核(flame kernel)。

在将金属壳和绝缘体组装到火花塞中时，绝缘体的前端部从金属壳的后端侧向前端侧插入到金属壳中，并且，金属壳的后端侧的开口部朝向绝缘体侧(金属壳的径向内侧)弯边。然后，为了确保金属壳和绝缘体之间的气密性，环状的金属密封件(packing)作为密封构件被装载在金属壳和绝缘体之间(例如，参见专利文献1)。

图8示出专利文献1中描述的火花塞的密封部。如图8所示，突出部(ledge portion)202形成于金属壳200的内壁，该突出部202以内径朝向其前端部逐渐减小的方式倾斜，台阶部206形成于绝缘体204的外壁，该台阶部206以外径朝向其前端部逐渐减小的方式倾斜，并且台阶部206与金属壳200的突出部202面对。此外，铁制密封件208作为密封构件被装载于突出部202和台阶部206之间。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-190762号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

然而，在将绝缘体204组装到金属壳200中时，当为了增强气密性而使金属壳200的后端侧的开口部强有力地弯边以增大密封件208中产生的残留应力时，如图9所示，密封件208过度变形，使得密封件208的内径部从金属壳200的突出部202向内挤出(A部)，导致如下风险：该挤出部压绝缘体204的长脚部(nose portion)210，由此产生挤压裂纹。从而，如果在绝缘体204中产生裂纹，则导致断火(misfire)(发动机由于不能燃烧而停止)的风险。

此外，当密封件208的外径部的上升量(rising amount)、即密封件208的外径部从突出部202的后端部向后端侧挤出的量(B部)增加时，密封件208的外径部进入到金属壳200和绝缘体204之间，导致产生加压裂纹(press crack)的风险。

考虑到上述问题而作出本发明，本发明的目的是提供一种火花塞，其可在防止绝缘体出现裂纹的同时确保金属壳和绝缘体之间的气密性。

解决技术问题的手段

将通过以下构造实现本发明的上述目的。

(1)一种火花塞，其包括：

筒状的金属壳；

筒状的绝缘体，其被装配于所述金属壳，并且包括从所述金属壳的前端部露出的前端部；

中心电极，其以所述中心电极的前端部从所述绝缘体的前端部露出的方式布置在所述绝缘体内；

接地电极，其一端部与所述金属壳连接，并且所述接地电极被布置成其另一端部与所述中心电极的前端部相面对，从而在所述接地电极的所述另一端部与所述中心电极的前端部之间形成火花放电间隙；以及

密封件，其被安装在所述金属壳和所述绝缘体之间，用于在所述金属壳和所述绝缘体之间建立气密密封，

其中，所述金属壳形成有突出部，所述突出部的内径朝向前端部逐渐减小以形成密封件接合面，所述绝缘体形成有台阶部，所述台阶部的外径朝向前端部逐渐减小以形成与所述突出部相面对的密封件接合面，所述密封件布置在所述突出部和所述台阶部之间，所述突出部和所述台阶部之间的距离随着所述突出部和所述台阶部径向向内延伸而减小，

由所述突出部和所述台阶部所形成的角度为1度以上并且10度以下。

(2)根据上述(1)所述的火花塞，其中，气密部沿着周向形成于所述金属壳的外周面，并且从所述气密部到所述金属壳的前端面的距离为25mm以上。

(3)根据上述(1)或(2)所述的火花塞，其中，所述金属壳的突出部的硬度比所述密封件的硬度大。

(4)根据上述(1)至(3)所述的火花塞，其中，至少所述金属壳的突出部的表面和所述密封件的表面被镀锌。

根据上述(1)所述的构造，台阶部与金属壳的突出部之间的距离随着突出部和台阶部径向向内延伸而减小，并且突出部和台阶部所形成的角为1度以上并且10度以下，从而作用于密封件的应力被向内集中，并且可以在抑制密封件过度变形的同时，将密封件中产生的残留应力维持在足够大的程度。因此，在确保气密性的同时，可以抑制密封件的挤出变形量和上升变形量。需要注意的是，如果上述角小于1度，则密封件的变形抑制效果小，从而导致如下风险：密封件的内径部被挤出到金属壳的突出部的最小直径部的内侧的量(挤出变形量)增大。另一方面，如果上述角超过10度，会导致如下风险：密封件的外径部被挤出到绝缘体的台阶部的后端的后端侧的量(上升变形量)增大，这并不是优选的。

如上述(2)中的构造所述的那样，本发明在如下的所谓的突出型(long reach)火花塞中特别有效：在该突出型火花塞中，从火花塞的气密部到金属壳的前端面的距离为25mm以上。即，在上述距离为25mm以上的火花塞中，因为当火花塞被加热时由于金属壳和绝缘体之间的热膨胀的差异而使气密性降低，所以需要使密封件变形以使密封件保持较大的残留应力。根据上述(2)所述的构造，在充分地抑制密封件的内径部的挤出变形量以及密封件的外径部的上升变形量的同时，使密封件保持较大的残留应力。

根据上述(3)所述的构造，由于金属壳的突出部的硬度比密封件的硬度大，所以，密封件沿着金属壳的突出部的表面以可靠的方式变形，因而，不会引起如下情形：金属壳的突出部与绝缘体的台阶部之间的角改变。

根据上述(4)所述的构造，至少金属壳的突出部的表面和密封件的表面被镀锌，并且锌镀层之间的摩擦系数大，从而可抑制密封件的滑动变形。因此，通过抑制密封件自身的变形可增大气密性。

发明的优点

根据本发明，可以抑制密封件的内径部的挤出变形以及密封件的外径部的上升变形，否则，将会在绝缘体中产生裂纹，此外，密封件中产生的残留应力可被维持在足够大的程度，从而可以获得可靠的气密性。

附图说明

图1是根据本发明的火花塞的截面图。

图2是密封件的立体图。

图3是图1中的火花塞的密封部的放大图。

图4是图1中的火花塞的密封部的变形例的放大图。

图5是示出实施例1的试验结果的图。

图6是示出实施例2的试验结果的图。

图7是示出实施例3和实施例4的试验结果的图。

图8是传统的火花塞的密封部的放大图。

图9是传统的火花塞的密封部在密封件变形时的放大图。

具体实施方式

下面将参考附图说明根据本发明的火花塞的优选实施方式。

图1是根据本发明的火花塞的截面图，图2是密封件的立体图，图3是图1中的火花塞的密封部的放大图。

如图1所示，本实施方式的火花塞10主要包括：筒状的金属壳11；筒状的绝缘体12，其被装配到金属壳11中并且其前端部12a从金属壳11的前端部11a露出；中心电极13，其以中心电极13的前端部13a从绝缘体12的前端部12a露出的方式布置于绝缘体12中；以及接地电极14，其一端部与金属壳11的前端部11a连接，而另一端部布置成与中心电极13的前端部13a面对。

需要注意的是，在后面的说明中，中心电极13的轴向上的布置接地电极14的一侧将被称为“前侧”，与前侧所在的一侧相反的一侧将被称为“后端侧”。

金属壳11由碳素钢等形成，并且根据需要金属壳11的表面可镀锌。安装用螺纹部15沿周向形成于金属壳11的外周面，用于将火花塞10安装到例如内燃机的气缸盖中。此外，金属端子17以后端部17a从贯通孔16的后端侧(图中上方)端部露出的状态被插入并固定于贯通孔16的后端侧端部，该贯通孔16沿轴向形成于由诸如氧化铝等煅烧陶瓷构件制成的绝缘体12中。中心电极13以前端部13a从贯通孔16的前侧(图中下方)端部露出的状态被插入并固定于贯通孔16的前侧端部。由铜制成的芯部13b被设置于中心电极13的内部。

此外，电阻器18在贯通孔16中被布置在金属端子17和中心电极13之间的中间部，导电性玻璃密封层19和20被布置于电阻器18的轴向两端部。即，中心电极13和金属端子17经由电阻器18以及导电性玻璃密封层19和20而电连接在一起。这些导电性玻璃密封层19和20以及电阻器18形成导电性连接层。

需要注意的是，电阻器18可省略，使得金属端子17和中心电极13经由单个导电性玻璃密封层而结合在一起。

此外，内径朝向前侧逐渐减小的突出部30形成于金属壳11的内壁。此外，外径朝向前侧减小的台阶部32形成于绝缘体12的外壁，并且台阶部32与金属壳11的突出部30面对。图2所示的圆环状的铁制密封件34被装载在突出部30和台阶部32之间。根据需要，密封件34的表面可镀锌。

当金属壳11的后端侧的开口部被朝向绝缘体12径向向内弯边时，通过将绝缘体12压向金属壳11的突出部30，密封件34还被金属壳11的突出部30和绝缘体12的台阶部32保持从而变形，变形了的密封件34以气密的方式封闭突出部30和台阶部32之间的间隙。

即，气密部40以径向向外突出的方式形成于金属壳11的螺纹部15的后端侧。在本实施方式中，从气密部40到金属壳11的前端面的距离L为25mm以上。

中心电极13由诸如Inconel(商标名)等具有优良耐热性和耐腐蚀性的Ni合金形成为圆柱状。例如由含有铱作为主要成分的合金制成的圆柱状的中心电极侧贵金属电极头21通过激光焊接等被固定于中心电极13的前端部13a。

接地电极14由具有优良耐热性和耐腐蚀性的Ni合金形成为棱柱状形状。接地电极14的基部14a通过焊接而被固定于金属壳11的前侧端部。接地电极14在其长度上的中间部具有被弯曲成大致L形的弯曲部14c，使得接地电极14的末端部(另一端部)14b面对中心电极13。例如由含有铂作为主要成分的合金制成的圆柱状的接地电极侧贵金属电极头22通过激光焊接等被固定于接地电极14的与中心电极侧贵金属电极头21面对的位置。

通过该构造，火花放电间隙g被限定在中心电极侧贵金属电极头21与接地电极侧贵金属电极头22之间。火花放电间隙g的距离例如被设定为大约0.9mm的程度。然后，通过在接地电极14(接地电极侧贵金属电极头22)与中心电极13(中心电极侧贵金属电极头21)之间施加高电压，火花放电间隙g中放出电火花，由此，根据本发明的火花塞10用作发动机的点火源。

如图3所示，突出部30和台阶部32以不平行或稍微倾斜的方式彼此面对。在本实施方式中，突出部30和台阶部32之间的距离随着突出部30和台阶部径向向内延伸而减小，并且由突出部30和台阶部32所成的角θ被设定为1度以上并且10度以下。

这里，由突出部30和台阶部32所形成的角θ可通过如下方式获得：例如，在包含沿着火花塞10的中心线剖切火花塞10所获得的面的假想面内，测量由从突出部30延长的假想线与从台阶部32延长的假想线所形成的角。

此外，突出部30和台阶部32之间的距离减小意味着：在上述假想面内，由火花塞10的中心线与从突出部30延长的假想线所形成的锐角比由火花塞10的中心线与从台阶部32延长的假想线所形成的锐角大。

需要注意的是，如图4所示，如果突出部30由于变形而在其整个区域内不平坦，则由从突出部30的平坦部30a延长的假想线与从台阶部32延长的假想线所形成的角θ被设定为1度以上并且10度以下。

通过将由突出部30和台阶部32所形成的角θ设定为1度以上并且10度以下，当通过使金属壳11的后端侧开口部弯边而使密封件34变形时，可以抑制密封件内径部34a被挤出到突出部30的最小直径部的内侧的量(挤出变形量)。此外，当通过使金属壳11的后端侧开口部弯边而使密封件34变形时，可以抑制密封件外径部34b深入到如下间隙中的上升变形量：该间隙由金属壳11与绝缘体12的比台阶部32朝向后端侧的部分限定。

可以认为，挤出变形量和上升变形量可被这样抑制的原因在于：尽管绝缘体12被压向金属壳11的突出部30时对密封件34施加轴向力，但是，通过使突出部30和台阶部32以1度以上且10度以下的角倾斜，可增大施加到密封件34的内径部侧的应力，从而可在抑制密封件34过度变形的情况下，使密封件34中产生的残留应力增大到足够大的程度。

因此，可以抑制密封件内径部34a的挤出变形量与密封件外径部34b的上升变形量，由此，可在防止如裂纹等不合格发生的同时，获得高度可靠的气密性，否则，通过由挤出变形产生的变形部以及由上升变形产生的变形部对绝缘体12加压，会产生裂纹。特别地，在从气密部40到金属壳11的前端面的长度L为25mm以上的突出型火花塞中，尽管存在密封件34的气密性降低的风险，但是，通过将上述构造应用于该火花塞，可获得可靠的气密性。

需要注意的是，为了使密封件34适当变形，优选金属壳11的硬度比密封件的硬度大。通过使金属壳的硬度大于密封件34的硬度，不仅使密封件34在金属壳被弯边时适当变形，而且还防止了金属壳11的突出部30的变形。

如果金属壳11的表面被镀锌，则优选使用表面也被镀锌的密封件34。在该情况下，当密封件34变形时，通过金属壳11的锌镀层与密封件34的锌镀层之间的强摩擦力而抑制密封件34过度变形。

因此，如上面描述的那样，根据本发明的火花塞10，在抑制密封件34的挤出变形量和上升变形量的同时，密封件34中产生的残留应力可被增大到足够大的程度，从而可在防止绝缘体12出现裂纹的情况下，在金属壳11和绝缘体12之间获得高气密性。

实施例

将说明被如上所述地构造的本发明的实施例。

需要注意的是，实施方式中说明的火花塞10用于以下实施例中所进行的评价试验。

实施例1

在金属壳11的突出部30与绝缘体12的台阶部32所形成的角θ被改变的情况下，基于ISO11565进行气密性试验，以测量密封件34在弯边时的挤出量，直到没有来自火花塞内部的气体泄漏。这里，由与轴向正交的方向和绝缘体12的台阶部32形成的角被固定于30度。所进行的气密性试验的结果如图5所示。

从图5所示的图明显的是，当角θ为0度以下时，挤出量大于0.1mm。该挤出量是会导致在绝缘体12中产生挤压裂纹风险的变形量。另一方面，当角θ为1度以上时，挤出量被抑制到0.02mm以下。该挤出量是不会在绝缘体12中产生挤压裂纹的变形量。

从上述事实可以看出，当金属壳11的突出部30与绝缘体12的台阶部32所形成的角θ为1度以上时，在维持适当的气密性的状态下，密封件34的挤出量被抑制到可容许的程度。

实施例2

在金属壳11的突出部30与绝缘体12的台阶部32所形成的角θ被改变的情况下，基于ISO11565进行气密性试验，以测量密封件34在弯边时的挤出量，直到没有来自火花塞内部的气体泄漏。这里，由与轴向正交的方向和绝缘体12的台阶部32所形成的角被固定于30度。所进行的气密性试验的结果如图6所示。

从图6所示的图明显的是，当角θ为10度以下时，上升量被抑制到0.01mm以下。该上升量是不会在绝缘体12中产生加压裂纹的变形量。另一方面，当角θ为15度以上时，上升量变成0.05mm的程度。该上升量是会导致在绝缘体12中产生加压裂纹风险的变形量。

从上述事实可以看出，当金属壳11的突出部30与绝缘体12的台阶部32所形成的角θ为10度以下时，可将密封件34的上升量抑制到可容许的程度。

此外，从实施例1的结果和实施例2的结果可以看出，当金属壳11的突出部30与绝缘体12的台阶部32所形成的角θ为1度以上并且10度以下时，密封件34的挤出量和上升量都可被抑制到可容许的程度。

实施例3

使用从气密部40到金属壳11的前端面的长度L为25mm以上的突出型火花塞作为火花塞10，在金属壳11的突出部30与绝缘体12的台阶部32所形成的角θ改变到0度和5度的情况下，基于ISO11565进行气密性试验，以测量密封件34的挤出量以及来自火花塞内部的气体泄漏量。对于泄漏量，来自以下样品火花塞内部的气体泄漏量被记为1，在该样品火花塞中，角θ＝0度，使用铁制密封件，并且挤出量为0mm，而来自其他样品火花塞的结果数据以与基准泄漏量的比的方式表示。气密性试验的结果如图7所示。

从图7所示的图明显的是，可以看出，当以使安装于样品火花塞的金属壳中的密封件34变形的方式使样品火花塞的金属壳的后端侧开口部弯边以获得相同的密封性(气体泄露量的比)时，角θ为5度的火花塞中的密封件34的挤出量比角θ为0度的火花塞中的密封件34的挤出量小。例如，对于相同的泄漏量的比，与角θ为0度的火花塞的数据相比，角θ为5度的火花塞的数据总是位于左侧的位置，这意味着角θ为5度的火花塞的挤出量比角θ为0度的火花塞的挤出量小。

从这些事实可以看出，在从气密部40到金属壳11的前端面的长度L为25mm以上的突出型火花塞中，通过使金属壳11的突出部30与绝缘体12的台阶部32以不平行或稍微倾斜的方式彼此面对，减小了密封件34的挤出量。

实施例4

使用表面被镀锌的金属壳作为金属壳11，并且使用如下两种铁制密封件作为密封件34：表面被镀锌的密封件34；以及表面未被镀锌的密封件34，测量泄漏量和密封件34的挤出量。结果如图7所示。

根据图7明显的是，可以看出，当以使安装于样品火花塞的金属壳中的密封件34变形的方式使金属壳的后端侧开口部弯边以获得相同的密封性(气体泄露量的比)时，被镀锌的密封件34的挤出量比未被镀锌的密封件34的挤出量小。例如，对于相同的泄漏量的比，与未被镀锌的密封件34的数据相比，被镀锌的密封件34的数据总是位于左侧的位置，这意味着被镀锌的密封件34的挤出量比未被镀锌的密封件34的挤出量小。

从这些事实可以看出，如果对金属壳11的表面进行镀锌，则通过也对密封件34的表面进行镀锌，可以减小密封件34的挤出量。因此，可以看出，当金属壳11被镀锌时，优选使用被镀锌的密封件34。

需要注意的是，本发明并不限于该实施方式，而可根据需要变型或改进。例如，虽然本实施方式对从气密部40到金属壳11的前端面的长度L为25mm以上的突出型火花塞特别有效，但是，即使将本发明应用于从气密部40到金属壳11的前端面的长度L小于25mm的火花塞，本发明也还是有效的。

虽然已经参考具体实施方式详细说明了本发明，但是，对于本发明所属的领域的技术人员而言，明显的是，可在不背离本发明的精神和范围的情况下，对本实施方式进行各种替代和变型。

本专利申请基于2008年9月24日提交的日本专利申请(No.2008-243699)，该日本专利申请的内容通过引用包含于此。

附图标记说明

10 火花塞

11 金属壳

11a 金属壳的前端部

12 绝缘体

12a 绝缘体的前端部

13 中心电极

13a 中心电极的前端部

14 接地电极

14b 接地电极的末端部

22 接地电极侧贵金属电极头

30 突出部

32 台阶部

34a 密封件内径部

34b 密封件外径部

40 气密部

g 火花放电间隙

Claims (4)

1.一种火花塞，其包括：

筒状的金属壳；

筒状的绝缘体，其被装配于所述金属壳，并且包括从所述金属壳的前端部露出的前端部；

中心电极，其以所述中心电极的前端部从所述绝缘体的前端部露出的方式布置在所述绝缘体内；

接地电极，其一端部与所述金属壳连接，并且所述接地电极被布置成其另一端部与所述中心电极的前端部相面对，从而在所述接地电极的所述另一端部与所述中心电极的前端部之间形成火花放电间隙；以及

密封件，其被安装在所述金属壳和所述绝缘体之间，用于在所述金属壳和所述绝缘体之间建立气密密封，

其中，所述金属壳形成有突出部，所述突出部的内径朝向前端部逐渐减小以形成密封件接合面，所述绝缘体形成有台阶部，所述台阶部的外径朝向前端部逐渐减小以形成与所述突出部相面对的密封件接合面，所述密封件布置在所述突出部和所述台阶部之间，所述突出部和所述台阶部之间的距离随着所述突出部和所述台阶部径向向内延伸而减小，

由所述突出部和所述台阶部所形成的角度为1度以上并且10度以下。

2.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，气密部沿着周向形成于所述金属壳的外周面，并且从所述气密部到所述金属壳的前端面的距离为25mm以上。

3.根据权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，所述金属壳的突出部的硬度比所述密封件的硬度大。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的火花塞，其特征在于，至少所述金属壳的突出部的表面和所述密封件的表面被镀锌。

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