CN103797670B - 火花塞 - Google Patents

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Abstract

提供了一种实现确保气密性并且能够抑制垫圈松动的技术。火花塞设置有在轴向上延伸的圆柱形主体；和设置为围绕所述主体的环形垫圈。所述垫圈是实心的，并且主要由铜组成，并且包含至少0.1wt％的镍。所述垫圈在所述轴向上的最大厚度是至少0.4mm，并且所述垫圈的维氏硬度在30HV至150HV之间。

Description

火花塞
技术领域
本发明涉及火花塞。
背景技术
近年来，越来越多的对汽车引擎的燃料消耗改进的需求已经出现。因为燃料消耗改进的要点在于引擎火花塞的附接精度，所以对提高附接精度的需求已经出现。例如，附接精度改进的要求包括，火花塞凸出到燃烧室中的量，以及火花塞的外电极(地电极)的方向。
至今为止，为了提高火花塞的附接精度的目的，具有中空结构的垫圈已经被由环形板材料形成的垫圈所取代。例如，在专利文件1中公开了关于由板材料形成的垫圈的已知技术。然而，在确保气密性和松动抑制方面，该技术做的还不够。
现有技术文件
专利文件
专利文件1：JP2008-210681A
专利文件2：JP-H11-351393A
专利文件3：JP4272682B
专利文件4：EP1850432-A2
发明内容
技术问题
为了至少部分地解决上述常规问题而完成本发明，并且本发明的目的是提供一种实现确保气密性和抑制垫圈松动的技术。
解决方案
为了至少部分地解决上述常规问题而完成本发明，并且可以以下面的模式和应用示例来实施。
[应用示例1]
火花塞包括：在轴向上延伸的管状金属壳，以及设置在金属壳周围的环形垫圈，
所述火花塞的特征在于：所述垫圈是实心，含有Cu作为主要成分，并且含有含量为1.0wt％或更多的镍，所述垫圈在所述轴向上具有0.4mm或更多的最大厚度，并且所述垫圈具有30HV至150HV的维氏(Vickers)硬度。
[应用示例2]
根据应用示例1所述的火花塞，其中，所述垫圈还含有含量为0.01wt％至0.50wt％的磷。
[应用示例3]
根据应用实例1或2所述的火花塞，其中，所述垫圈还包含含量为0.30wt％至11.00wt％的锡。
[应用示例4]
根据应用示例1至3中的任一个所述的火花塞，其中，所述垫圈含有选自镍、磷和锡中的一种或更多种元素，所述一种或更多种元素至少包括镍，并且所述一种或更多种元素的总含量是2.00wt％或更少。
[应用示例5]
根据应用示例1至4中的任一个所述的火花塞，其中，所述垫圈具有与所述金属壳接触的表面，所述表面具有111mm2或更少的面积。
可以以各种模式来实施本发明，例如，以火花塞生产方法或火花塞生产装置的模式。
本发明的效果
根据应用示例1所述的构造，因为所述垫圈具有适当的硬度和适当的厚度，所以能够确保气密性。另外，因为垫圈含有适当含量的镍，所以所述垫圈呈现改进的耐应力松弛性，能够抑制所述垫圈的松动。
根据应用示例2所述的构造，因为所述垫圈呈现改进的耐应力松弛性，所以所述垫圈的松动能够被进一步抑制。
根据应用示例3所述的构造，所述垫圈呈现提高的弹性。因此，即使当所述火花塞从引擎缸盖暂时移除并且然后再次拧紧到引擎缸盖时，所述火花塞也呈现出提高的拧紧精度。
根据应用示例4所述的构造，因为所述垫圈的导热率的减少能够被抑制，所以所述垫圈的松动能够被进一步抑制。
在具有根据应用示例5所述的构造的火花塞中，所述垫圈的松动能够被有效地抑制。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的火花塞的部分截面图；
图2示出了垫圈的构造；
图3示出了根据第二实施例的垫圈的构造；
图4以表格的形式，示出了气密性的评估结果；
图5以表格的形式，示出了松动的评估结果；
图6以表格的形式，示出旋拧精度的评估结果；
图7以表格的形式，示出了松动的实验结果；
图8以图表的形式，示出了垫圈5的接触面积S和呈现抑制松动的样品数目之间的关系。
具体实施方式
随后将参考实施例来描述本发明的模式，这将以以下顺序示出。A.第一实施例；B.第二实施例；C.实验示例；C1.气密性实验示例；C2.松动实验示例1；C3.旋拧精度实验示例；C4.松动实验示例2；以及D.修改例。
A.第一实施例：图1是根据本发明的一个实施例的火花塞100的部分截面图。在图1中，火花塞100的轴向OD称为竖直方向。在以下的描述中，火花塞100的下侧称为火花塞100的前端侧，而上侧称为后端侧。
火花塞100包括绝缘体10、金属壳50、中心电极20、地电极30，以及端子壳40。中心电极20被保持在绝缘体10中，以在轴向OD上延伸。作为绝缘材料的绝缘体10被插入在金属壳50中。端子壳40被设置在绝缘体10的后端处。
具有管状形状的绝缘体10通过烧结氧化铝等来形成，并且在其中心具有在轴向OD上延伸的轴孔12。在轴向OD上绝缘体10的中心附近，绝缘体10具有具有最大外径的凸缘部19。后端侧主体部18被设置在相对于凸缘部19的后端侧(图1的上侧)上。具有小于后端侧主体部18的外径的前端侧主体部17被设置在相对于凸缘部19的前端侧上(图1的下侧)。另外，具有小于前端侧主体部17的外径的细长腿部13被设置在前端侧主体部17的前端上。在火花塞100被附接至内燃机的引擎缸盖200时，直径朝向前端减小的细长腿部13暴露至内燃机的燃烧室。支撑部15被设置在细长腿部13和前端侧主体部17之间。
具有圆管状形状的金属壳50由低碳钢材料形成，并且金属壳50被用来将火花塞100固定至内燃机的引擎缸盖200。在金属壳50中保持绝缘体10，并且绝缘体10的一部分(包括后端侧主体部18的一部分和细长腿部13)被金属壳50包围。
金属壳50具有工具接合部51和螺纹附接部52。工具接合部51与火花塞扳手(未图示)相配合。金属壳50的螺纹附接部52具有螺纹，并且被旋拧到设置在内燃机的上部处的引擎缸盖200的螺纹附接孔201中。在本实施例中，螺纹附接部52具有M12的螺纹直径。
凸缘状密封部54被设置在金属壳50的工具接合部51和螺纹附接部52之间。环形垫圈5被装配到金属壳50的外周边；更具体地，垫圈5被装配到设置在螺纹附接部52和密封部54之间的螺纹颈口59上。凭借垫圈5，实现在火花塞100和引擎缸盖200之间的密封，并且经由螺纹附接孔201确保引擎的气密性。以下详细描述垫圈5。
相对于工具接合部51，薄卷曲部53被设置在金属壳50的后端侧上。如在卷曲部53的情况，薄弯曲部58被设置在密封部54和工具接合部51之间。环形构件6和7被设置在金属壳50(从工具接合部51至卷曲部53)的内壁和绝缘体10的后端侧主体部18的外壁之间。另外，滑石粉9被填充在环形构件6和7之间。当卷曲部53被径向向内弯曲时，即金属壳50被径向向内卷曲时，绝缘体10经由环形构件6和7以及滑石9被朝向金属壳50的前端挤压。因此，绝缘体10的支撑部15由被设置在金属壳50内壁上的台阶部56支撑，并且金属壳50和绝缘体10被整合在一起。通过该构造，凭借被设置在绝缘体10的支撑部15和金属壳50的台阶部56之间的环形板密封件8维持环形金属壳50和绝缘体10之间的气密性，由此防止燃烧气体的泄漏。例如，板密封件8由具有高导热率的材料形成，诸如铜或铝。当板密封件8具有高导热率时，因为来自绝缘体10的热被有效地转移至金属壳50的台阶部56，所以火花塞100呈现良好的散热性能，并且因此能够提高耐热性。弯曲部58被形成为与在卷曲期间压缩力的增加相关联而向外弯曲和变形，由此通过滑石9的增加的压缩行程加强了金属壳50中的气密性。特定尺寸的间隙CL被设置在金属壳50的前端侧部(相对于台阶部56)和绝缘体10之间。
为棒状电极的中心电极20，具有包括电极基质21以及嵌入在电极基质21中的芯构件25的构造。电极基质21由镍或含有镍作为主要成分的合金形成，诸如Inconel(商标名)600或601。芯构件25由导热率高于电极基质21的材料形成，即芯构件25由铜或含有铜作为主要成分的合金形成。通常，中心电极20通过将芯构件25填充到具有管状形状底部的电极基质21中并且通过挤出成型来使基质21(从底部侧)拉长而形成。芯构件25在其主体部处具有大体恒定的外径，并且在前端侧上具有直径减小的部分。在轴孔12中，中心电极20朝向后端侧延伸，并且经由密封体4和陶瓷电阻3而被电连接至端子壳40。端子壳40经由火花塞帽(未图示)而被连接至高压电缆(未图示)，由此高压被施加至火花塞。
中心电极20的前端部22从绝缘体10的前端部11突出。中心电极尖90被结合至中心电极20的前端部22的端部。中心电极尖90在轴向OD上延伸并具有大体圆柱形形状。中心电极尖90由高熔点贵金属形成，以提高中心电极尖的耐火花腐蚀性。例如，中心电极尖90由铱(Ir)，或者含有铱(Ir)作为主要成分、还含有选自铂(Pt)、铑(Rh)、钌(Ru)、钯(Pd)和铼(Re)中的一种元素或者两种或更多种元素的铱(Ir)合金形成。
地电极30由具有高耐腐蚀性的金属形成，例如镍合金，诸如Inconel(商标名)600或601。地电极30的近端部32通过焊接被结合至金属壳50的前端部57。地电极30被弯曲使得地电极30的远端部33面向中心电极尖90。
地电极尖95被结合至地电极30的远端部33。地电极尖95面向中心电极尖90，并且火花放电缝隙G被设置在地电极尖95和中心电极尖90之间。地电极尖95可以由类似于中心电极尖90所采用的材料形成。
图2示出了垫圈5的构造。图2的(A)是垫圈5的平面图，而图2的(B)是图2的(A)中的垫圈5沿着线B-B截取的截面图。
如图2的(B)所示，垫圈5是实心的。如这里所使用的，术语“实心”指的是产品不具有空心部的情况，具体地，例如，产品不是通过弯曲板使得空心部被设置在产品的内部来生产。
垫圈5含有铜(Cu)作为主要成分，并且还含有含量为0.1wt％或更多的镍。因为通过将Ni添加到Cu中而提高了强度、弹性和耐应力松弛性，所以可以抑制垫圈的松动。下面将参考实验示例来描述这样做的原因。如这里所使用的，术语“主要成分”指的是含量为50wt％或更多的成分。如这里所使用的，术语“耐压力松弛性”指的是耐压力减小的性能。压力松弛率越低，耐压力松弛性越好。
在本实施例中，垫圈5在轴向OD上具有0.4mm的最大厚度Tmax。当在垫圈5的最大厚度为0.4mm或更多时，能够确保垫圈5的气密性。下面将参考实验示例来描述这样做的原因。优选地，垫圈5在轴向OD上具有0.2mm或更大的最小厚度Tmin。
在本实施例中，垫圈5具有80HV的维氏(Vickers)硬度(下文中可以简称为“硬度”)。当垫圈5的硬度是30HV至150HV时，垫圈的松动能够被抑制，同时确保气密性。下面将参考实验示例来描述这样做的原因。
为了将垫圈5的硬度调节到30HV至150HV，在以下条件下实施退火：退火温度为300至600℃，退火时间为30至90分钟。
在本实施例中，垫圈5还含有含量为0.01wt％至0.50wt％的磷(P)。在包含P时，生产出含有Ni和P的偏析产品，并且因此垫圈5呈现提高的耐压力松弛性。因此，垫圈5的松动可以被进一步抑制。下面将参考实验示例来描述这样做的原因。
在本实施例中，垫圈5还含有含量为0.3wt％至11.0wt％的锡(Sn)。当包含锡时，Sn在铜基质中形成固溶体，并且因此垫圈5呈现提高的强度和弹性。因此，可以提高在重复地拧紧／拧下时的旋拧精度。下面将参考实验示例来描述这样做的原因。
在本实施例中，垫圈5含有三种元素：镍、磷和锡，总含量为2.0wt％或更少。在这种情况下，因为垫圈5导热率的减少能够被抑制，所以垫圈5的松动能够被进一步抑制。
在本实施例中，五个凸起5g被设置在垫圈5的内周边部上。这些凸起5g通过在将垫圈5装配到火花塞100上之后，在与轴向OD相反的方向上用夹具挤压垫圈5产生内周边部的部分变形而形成。在形成这些凸起5g的情况下，当火花塞100未附接至引擎缸盖时，能够防止垫圈5从火花塞100的移除。
因此，在第一实施例中，因为实心垫圈5的厚度、硬度和材料被适当地确定，所以能够抑制垫圈的松动，同时确保气密性。特别地，即使当垫圈5与金属壳50接触的表面的面积S(下文中面积S可以称作“接触面积S”)小时；具体地，即使当接触面积S是111mm2或更小时，也能够有效地抑制垫圈的松动。以下将描述确定接触面积S的特定值的原因。本说明书和附图中示出的元素含量的有效数字是两位小数。
B.第二实施例：图3示出了根据第二实施例的垫圈5b的构造。除了设置环形凹槽5x来代替凸起5g之外，垫圈5b具有与在图2中示出的第一实施例的垫圈相同的构造。凹槽5x通过在将垫圈5装配到火花塞100上之后，在与轴向OD相反的方向上用夹具挤压垫圈5b产生垫圈5b的变形而形成。当形成凹槽5x时，垫圈5b的内径减小。因此，当火花塞100未附接至引擎缸盖时，能够防止垫圈5b从火花塞100的移除。如在第一实施例的情况，该构造确保了气密性以及垫圈的松动的抑制。
C.实验示例：C1.气密性实验示例：为了检查这些因素在气密性上的效果，采用具有不同的最大厚度Tmax和硬度并由不同材料形成的多个垫圈样品。在本实验示例中，包括垫圈的火花塞被附接至铝套管(即引擎组的仿真)；火花塞经受重复的加热冷却循环(每30分钟加热至200℃并冷却至20℃)；并且火花塞经受在下面的ISO振动条件下的交替的纵向振动(八小时)和横向振动(八小时)(总振动时间：32小时)。ISO振动条件(ISO11565(2006))：频率为50至500Hz，扫描速率为1倍频程／分(octave／min)，加速度为30G。下文中，在火花塞上执行的上述试验(即重复加热和冷却，并振动)可以被称作“耐久性试验”。
在完成耐久性试验之后，铝套管的与垫圈接触的部分(表面)的温度被调节至200℃，并且以特定时间周期从点火部分侧向火花塞施加压缩空气。当从垫圈的空气泄漏量是10cc或更小时，气密性被评估为最高，并且指定为等级“A”。当从垫圈的空气泄漏量多于10cc并等于或少于20cc时，气密性被评估为第二高，并且指定为等级“B”。当从垫圈的空气泄漏量多于20cc时，气密性被评估为最低，并且指定为等级“C”。
图4以表格的形式示出了气密性的评估结果。在本实验示例中，在同一条件下准备5个样品，并且在这5个样品中，表现出最差结果的样品被用于评估。对下述其它实验示例同样适用。
如从图4清楚看出的，在垫圈的最大厚度Tmax是0.4mm或更多的情况下，指定为等级“A”或“B”。原因如下。在垫圈具有0.4mm或更多的最大厚度Tmax的情况下，即使当垫圈被压缩时，也确保足够的行程。因此，垫圈和引擎组之间的形状差异能够被补偿，进而提高气密性。
还如从图4清楚看出的，当垫圈的最大厚度Tmax是0.4mm或更多并且其硬度是150HV或更小的情况下，指定为等级“A”。原因如下。在垫圈具有150HV或更小的硬度时的情况下，垫圈的表面能够适当地变形。因此，垫圈和引擎组之间的形状差异被补偿，并且在垫圈和引擎组之间的接触表面或者在垫圈和火花塞之间的接触表面处粘结性被提高，由此提高气密性。因此，垫圈的最大厚度Tmax和硬度分别优选地是0.4mm或更大和150HV或更小。
在维氏硬度试验期间，硬度计压头的力是1.96N。
C2.松动1实验示例：采用具有不同的最大厚度Tmax和硬度并由不同材料形成的多个垫圈样品，用以检查在完成耐久性试验之后，这些因素在松动方面的影响。在本实验示例中，在完成上述耐久性试验之后，从铝套管移除火花塞。当移除火花塞之后的扭矩是其附接过程中的50％或更多时，指定为等级“AA”(即最高评估)。当移除火花塞之后的扭矩是其附接过程中的30％或更多并且少于50％时，指定为等级“A”(即第二高评估)。当移除火花塞之后的扭矩是其附接过程中的少于30％时，指定为等级“C”(即低评估)。
图5以表格的形式，示出松动的评估结果。如从图5清楚看出的，垫圈的硬度是30HV或更多并且垫圈的Ni含量是0.1wt％或更多的情况下，指定为等级“AA”或“A”。原因如下。当Ni被加入到Cu时，合成的Cu合金呈现提高的耐应力松弛性，并且因此可以抑制垫圈的松动。当硬度是30HV或更多时，因为能够防止垫圈的塑性变形，所以可以抑制垫圈的松动。
也如从图5清楚看出的，在垫圈的P含量是0.01wt％或更多的情况下，指定为等级“AA”。原因如下。当包含P时，生产出含有Ni和P的偏析产品，并且因此能够进一步提高耐压力松弛性。
因此，为了抑制垫圈的松动，优选地，垫圈的硬度是30HV或更多，并且垫圈的Ni含量是0.1wt％或更多，特别优选地，垫圈的P含量是0.01％或更多。
同时，当所包含的Ni、Sn或P的量大时，合成的Cu合金呈现低导热性。当长时段采用包括具有低导热性的垫圈的火花塞时，垫圈的温度被提高，并且垫圈进行导致垫圈松动的塑性变形。因此，为了抑制垫圈的松动，所包含的Ni、Sn和P的总含量优选地是2wt％或更少。
在本实验示例中发现，在垫圈的硬度是30HV或更多并且垫圈的Ni含量是0.1wt％至10.0wt％的情况下，指定为等级“AA”或“A”，并且在垫圈的P含量是0.01wt％至0.50wt％的情况下，指定为等级“AA”。
C3.旋拧精度实验示例：采用具有不同最大厚度Tmax和硬度并由不同材料形成的多个垫圈样品，用以检查在重复拧紧／拧下循环之后，这些因素在旋拧精度上的影响。在本实验示例中，首先，执行上述耐久性试验。然后，执行五个拧紧／拧下循环，每个循环包括从铝套管移除火花塞，并且在与第一个相同的拧紧扭矩下，将火花塞再次附接至铝套管。
当在第一循环的拧紧角度和在第五循环的拧紧角度之间的差异是+5°或更小时，指定为等级“A”(即最高评估)，然而当在第一循环的拧紧角度和在第五循环的拧紧角度之间的差异多于+5°时，指定为等级“C”(即低评估)。
图6以表格的形式，示出了旋拧精度的评估结果。如从图6中清楚看出的，当垫圈的Sn含量是0.3wt％或更多时，指定为等级“A”。原因如下。当包含的Sn的含量为0.3wt％或更多时，合成的Cu合金呈现增加的弹性。因此，甚至当火花塞被重复拧紧和拧下时，火花塞呈现提高的定位精度。因此，为了提高在重复拧紧／拧下循环之后的定位精度，垫圈的Sn含量优选地被调节至0.3wt％或更多。在本实验示例中发现，在垫圈的Sn含量是0.3wt％至11.0wt％的情况下，指定为等级“A”。
C4.松动2实验示例：在本实验示例中，在完成耐久性试验之后检查垫圈5的接触面积S和垫圈的松动之间的关系。特别地，设置具有不同组成的两种类型的垫圈，并且针对具有不同接触面积S的每种类型准备多个样品。在本实验示例中，在同一条件下针对每种类型准备30个样品。
每个这样准备的样品经受上述耐久性试验，并且在完成耐久性试验之后从铝套管移除样品(火花塞)。当在移除样品后的扭矩少于在附接样品期间的扭矩的50％时，认为在样品中发生松动。因此，记录下发生松动的样品数目。两种类型的垫圈的细节如下。通过改变垫圈的外径来调节接触面积S。
类型1：组成：铜含量是99.90wt％或更多(不含Ni)，最大厚度Tmax：1.5mm，硬度：60HV，内径：9.5mm。
类型2：组成：铜含量是99wt％并且Ni含量是0.1wt％，最大厚度Tmax：1.5mm，硬度：60HV，内径：9.5mm。
图7以表格的形式，示出了松动的实验结果。图8以图表的形式，示出了垫圈5的接触面积S和呈现抑制松动的样品数目之间的关系。如从图7清楚看出的，在类型1的样品中，松动的发生可能与接触面积S的减小相关联，然而在类型2的样品(即含有Ni的样品)中，甚至当垫圈5的接触面积S小时，也不发生松动。
如从通过包含镍来抑制松动的样品的数目清楚看出的(参见图8)，垫圈5的接触面积S越小，呈现出改进的样品数目越多。具体地，当垫圈5的接触面积S是111mm2或更少时，呈现改进的样品数目大大增加。因此，当垫圈5的接触面积S是111mm2或更少时，这些数据指示获得了显著的松动抑制效果。
D.修改例：本发明不限于上述示例和实施例，并且在不偏离本发明的范围的情况下，各种其它实施例可以被实施。例如，下面描述的修改例可以被实施。
D1.修改例1：在根据上述实施例的每个垫圈中，设置凸起5g或凹槽5x。然而，这些可以省略。
D2.修改例2：在根据上述实施例的每个火花塞中，放电的方向对应于轴向OD。然而，本发明可以被应用到放电方向垂直于轴向0D的火花塞，即所谓的横向放电型火花塞。
D3.修改例3：在根据上述实施例的每个火花塞中，设置中心电极尖90和地电极尖95。然而，可以省略这些尖中的一个或两个。
附图标记描述
3： 陶瓷电阻
4： 密封体
5： 垫圈
5b： 垫圈
5g： 凸起
5x： 凹槽
6： 环形构件
8： 板密封件
9： 滑石
10： 绝缘体
11： 前端部
12： 轴孔
13： 细长腿部
15： 支撑部
17： 前端侧主体部
18： 后端侧主体部
19： 凸缘部
20： 中心电极
21： 电极基质
22： 前端部
25： 芯构件
30： 地电极
32： 近端部
33： 远端部
40： 端子壳
50： 金属壳
51： 金属接合部
52： 螺纹附接部
53： 卷曲部
54： 密封部
56： 台阶部
57： 前端部
58： 弯曲部
59： 螺纹颈口
90： 中心电极尖
95： 地电极尖
100： 火花塞
200： 引擎缸盖
201： 螺纹附接孔
G： 火花放电缝隙
OD： 轴向
CL： 间隙

Claims (5)

1.一种火花塞，包括：
在轴向上延伸的管状金属壳；以及
设置在所述金属壳周围的环形垫圈，所述火花塞的特征在于：
垫圈是实心的，并且含有铜作为主要成分，以及含量为0.10wt％或更多的镍；
所述垫圈在所述轴向上具有0.4mm或更多的最大厚度；
所述垫圈具有30HV至150HV的维氏硬度，并且
当所述垫圈被装配到火花塞上之后，在所述轴向上挤压所述垫圈，使所述垫圈的内周边部的部分变形而在所述垫圈的内周边部上形成凸起，或者使所述垫圈变形而在所述垫圈中形成围绕所述金属壳的环形凹槽。
2.根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述垫圈还含有含量为0.01wt％至0.50wt％的磷。
3.根据权利要求1或2所述的火花塞，其中，所述垫圈还含有含量为0.30wt％至11.00wt％的锡。
4.根据权利要求1或2所述的火花塞，其中，所述垫圈含有选自镍、磷和锡中的一种或更多种元素，所述一种或更多种元素至少包括镍，并且所述一种或更多种元素的总含量是2.00wt％或更少。
5.根据权利要求1或2所述的火花塞，其中，所述垫圈具有与所述金属壳接触的表面，所述表面具有111mm2或更少的面积。
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