CN1056019C - 内燃机用的火花塞 - Google Patents

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Abstract

为了改进火花塞的抗损耗特性和寿命，一内燃机的火花塞有：一个有通孔的绝缘陶瓷体；一个固定在通孔一端的中心电极；一个用来固定绝缘陶瓷体的壳体；一个安置在壳体前端且面向中心电极的接地电极；一个由中心电极和接地电极所限定的火花间隙，中心电极和接地电极中至少一个电极有一个连到壳体前端放电点的贵金属片，其特征在于贵金属片由铱-铑合金组成，其中铑含量为1%至60%的重量百分比。

Description

内燃机用的火花塞
本发明与内燃机用的火花塞有关以及与火花塞电极上的贵金属片有关。
有关内燃机用的火花塞，需要连续不断地改进其寿命(即改进其抗挥发损耗)和性能(即改进火花的跳火性及点火性)，目的在于想要用一贵金属片，特别是用铂片作为内燃机火花塞的一个放电元件。
最近有一种迫切需要来进一步改进其寿命和性能，目的在于想用一种熔点高于铂的铱金属制成的贵金属片对其进行研究。
虽然铱的优点在于熔点高达2454℃，该熔点大大地高于铂的熔点，其缺点也在于在温升高于900℃时会加快所不希望的挥发损耗。
为了抑制铱的挥发损耗，日本未经审查的专利申请公开文件No.2-186579提出引进铝、钇或其它元素，它们具有与氧强烈的亲和力以及其能把氧析出而在铱电极的表面形成一层氧保护膜从而防止铱的挥发损耗。
然而，上述方案有一个缺陷即由氧化铝、氧化钇或其它陶瓷构成的氧化保护膜与铱贵金属的结合不牢靠从而使其易于剥落。
日本未经审查的专利申请公开文件NO 2-49388提议用铂加入铱内但是仍旧不能使贵金属片具有满意的足以改进高温下它的抗挥发损耗及抗热能力。
本发明的目的是提供一种具有贵金属片的火花塞，该贵金属片连到火花塞的放电点处且具有在高温下改进的耐热性和抗挥发损耗性。
本发明的另一目的是提供一种用于火花塞的贵金属片，该贵金属片具有在高温下改进的耐热性和抗挥发损耗性。
为了达到本发明的目的，火花塞有一个连到其放电点处的贵金属片，该贵金属片是由含一定量的铑(Rh)的铱-铑合金构成，以使铑浓缩和析出在贵金属表面，该析出的铑就形成一层氧化保护膜，因为铑是一种有高熔点的贵金属且与铱-铑合金的片体形成一牢固的连结。本发明的氧化保护膜提供了在高温下改进的抗挥发损耗和耐热性。
铱-铑合金最好提供一种在高温下具有改进的抗挥发损耗和耐热性的贵金属片，这样本发明的贵金属片在用于内燃机的火花塞上时会减小电极的直径从而改进内燃机用的火花塞性能，特别是减小了放电电压和改进的点火性。
图1是本发明内燃机用的火花塞的半剖视图；
图2是图1所示的火花塞放大的局部剖视图；
图3表示作为测试时间函数的各种贵金属片挥发损耗的坐标图。
根据本发明，用于内燃机的火花塞有：
一个具有一通孔(2a)的绝缘陶瓷体(2)；
一个固定在通孔(2a)一端的中心电极(3)；
一个固定绝缘陶瓷体(2)的壳体(1)；
一个安置在壳体(1)前端且面向中心电极(3)的接地电极(4)；
一个由中心电极(3)和接地电极(4)所限定的火花间隙(7)；以及
中心电极(3)和/或接地电极(4)有一个连到其前端放电点的贵金属片，其中，贵金属片(5，6)是由含有1％-60％重量百分比最好为3％-30％重量百分比的铑组成的铱铑合金。
铱-铑合金最好还含有元素周期表中3A或4A组重量含量为0.5％至5％的该元素的氧化物，周期表3A组中的元素氧化物最好由Y2O3(三氧化二钇)所构成而周期表4A组中的元素氧化物最好由ZrO3(三氧化锆)所构成。
在本发明的最佳实施例中，中心电极的贵金属片是外径为A，高度为B，其中A和B限定在下列范围内：
0.5毫米≤A≤2.0毫米，和
0.3毫米≤B≤2.5毫米
在本发明另一个最佳实施例中，接地电极是一个外径为C和高度为D的贵金属片，其中C和D限定在下列范围内，
0.5毫米≤C≤1.7毫米，和
0.3毫米≤D≤1.0毫米
中心电极和/或接地电极最好有一个由镍合金组成的壳体部分且有用激光焊或电阻焊而连到壳体前端放电点的贵金属片。
图1是本发明内燃机用的火花塞的半剖视图，图2是图1所示的火花塞放大的局部剖视图。火花塞有一由铁或其它金属制成的管状壳体1且有一个在壳体下部外周面上的螺纹1a。
一管状绝缘陶瓷体2是由氧化铝或其它绝缘材料制成且有一个与壳体1同轴啮合的下部而壳体的上端1b连到壳体1且堵住缝口这样和绝缘陶瓷体2就形成一个整体。一个中心电极3呈装配地啮合在绝缘陶瓷体2的通孔(或中空部分)2a的一端(或一下端)。
一接地电极4从壳体1的一端面向下延伸且呈直角弯曲这样接地电极的前端就面向中心电极3的前端3a，接地电极也由镍合金制成。贵金属片5和6各自用激光焊或电阻焊连到中心电极3的前端3a处和面向前端3a的接地电极4的放电点处使它们之间形成一个火花间隙7。
如先有技术中所知，一个中心销8或一个接线柱9电路相连到中心电极3的上端，接线柱9再连到加有高电压的外电路从而产生一个火花，装在发动机塞座螺纹1a上端处的壳体1周围有密封垫10。
本发明的最重要特点在于贵金属片5和6的合金材料，即至少贵金属片5和6之一是由铱为基体的铱-铑合金组成，该合金具有高的熔点和良好的抗损耗性而且合金中含有铑使铱不会在高温下挥发掉。
本发明人已进行了实验以确定由铱-铑合金组成的贵金属片5和6，其结果如图3所示。
图3示出在对铱金属片和含有任何铂族即铂、钯或铑贵金属的铱基合金片的发动机耐力测试中，根据火花间隙7的增量所测得到金属片的挥发损耗。
上述测试是在四循环、四缸、2000毫升的发动机且在4000转/分全负载下连续运转下进行，在测试中，对火花间隙增量进行测量，所测的火花塞有一个带有同一金属或合金制成的贵金属片的中心电极3和接地电极4。
中心电极4有各种不同材料制成的贵金属片5，包括100％铱金属、10％重量钯的铱合金、10％重量铂的铱合金以及10％重量铑的铱合金。
金属片5有外径A为1.0毫米和高度B为1.5毫米的统一尺寸。
接地电极4有与对应中心电极3的金属片相同材料制成的贵金属片6并且有外径C为1毫米、高度D为0.5毫米的统一尺寸。
从图3能看出，测试结果表明在铱中添加另一种贵金属就可减小金属片的损耗从而改进了其抗损耗特性和增加寿命，在铑加入铱时，这种改进最明显。
100％铱金属片只提供小量改进，因为铱在温度接近1000℃时形成一种易挥发的三氧化铱(IrO3)，即使铱具有一高的熔点也会引起一较大的损耗。
随后，添加任何不易挥发的贵金属诸如钯、铂或铑来防止铱的挥发损耗。添加铑是最有效，因为铑有高于铂的熔点1769℃和高于钯的熔点1552℃，其熔点为1960℃。
虽然，在所测的火花塞中，中心电极3的贵金属片5有外径A为1毫米和高度B为1.5毫米的尺寸，而中心电板3的贵金属片5最好其外径A为0.5毫米到2毫米。当金属片5的外径A小于0.5毫米时，该金属片的抗损耗特性就锐降、寿命也就缩短。另一方面，当金属片5的外径A大于2毫米则其点火性能就降低，放电电压增大，因此就不利火花塞性能的改进。
上述贵金属片5的高度B最好在0.3毫米到2.5毫米的范围内，该贵金属片5的高度B一定要在0.3毫米或大于0.3毫米才能保证它与中心电极3的稳定焊接。另一方面，当贵金属片5高度大于2.5毫米则该贵金属片5易于断裂。
虽然在所测火花塞中，接地电极4的贵金属片6有外径C为1毫米和高度D为0.5毫米的尺寸，而接地电极4的贵金属片6最好其外径C为0.5毫米到1.7毫米。当金属片6的外径C小于0.5毫米时，该金属片的抗损耗特性就锐降，寿命也随之缩短。另一方面，当金属片6的外径C大于1.7毫米则金属片6就不能进行稳定焊接，由于相对于接地电极4的尺寸，该金属片的尺寸显得过大。
上述贵金属片6的高度D最好在0.3毫米到1.0毫米的范围内，该贵金属片6的高度D一定要在0.3毫米或大于0.3毫米才能保证它与接地电极4的稳定焊接，另一方面，当贵金属片6的高度大于1毫米则由于金属片的温度迅速提高而锐增金属片6的挥发损耗。
根据把铑加到铱内的效果是增加其抗损耗特性并对铱-铑合金的抗损耗特性的评价进行详细研究。测试了14种具有不同铑含量的铱-铑合金片以确定用在上述测试中包括金属片的尺寸相同条件下的抗损耗性能，上述测试结果汇总在表1，表1中，在400小时发动机耐力试验后，依据火花间隙的增量来示出合金片的损耗量。
从表1能看出，当铱-铑合金的含铑量在1％或超过1％重量时，金属片的损耗量为0.18毫米或更小，表明其抗损耗特性显著改进，因为当铑的含量增加时贵金属片5或6在边缘处更易断裂。火花塞的贵金属片5或6的铑含量一定不要超过60％的重量含量。
如果把周期表中3A组元素的氧化物或4A组元素的氧化物加入到铱-铑合金中，诸如3A组的三氧化二钇(Y2O3)和4A组的二氧化锆(ZrO2)，也能从表1中的金属片11至14的数据中看出。
本发明的铱-铑合金中还可含有一种或多种除了铑以外的铂族元素，即铂、钯和/或一种或多种耐热金属诸如镍(Ni)，所加的量不要减小由铱和铑组合的合金产生的有益效果，这可在表1的金属片8至10所示的数据中看出。
铑即可以用熔融法也可以用烧结法加入铱内，本发明人确认上述两种方法都可对金属片的抗损耗特性提供大致相同的改进。
虽然上文讨论了在火花塞的中心电极3和接地电极4带有贵金属片5和6，本发明也能很好地应用在仅仅中心电极3具有贵金属片5而接地电极4未带有贵金属片6的火花塞上。
                    表1金属片No.      成分(重量％)       损耗量(毫米)1              100Ir              0.302              Ir-0.3Rh           0.273              Ir-1.0Rh           0.184              Ir-3.0Rh           0.135              Ir-10Rh            0.106              Ir-30Rh            0.127              Ir-60Rh            0.158              Ir-10Rh-10Pt       0.159              Ir-10Rh-0.5Ni      0.1110             Ir-10Rh-5.0Ni      0.1911             Ir-10Rh-0.5Y2O3 0.0912             Ir-10Rh-5.0Y2O3 0.0813             Ir-10Rh-0.5ZrO2  0.0914             Ir-10Rh-5.0ZrO2  0.08

Claims (16)

1.一个内燃机所用的火花塞，有：
一个开有一通孔的绝缘陶瓷体；
一个固定在通孔一端的中心电极；
一个用来固定绝缘陶瓷体的壳体；
一个安置在壳体前端且面向中心电极的接地电极；
一个由中心电极和接地电极所限定的火花间隙；以及
中心电极和接地电极中至少有一个连接到火花塞前端放电点的贵金属片，其特征在于，该贵金属包含重量含量为90％或更多的铱-铑合金，铱-铑合金所包含铑的重量百分比为3％到30％。
2.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，贵金属包含重量百分比为95％到99.5％的铱-铑合金。
3.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，贵金属只包含铱-铑合金。
4.一个内燃机所用的火花塞，有：
一个开有一通孔的绝缘陶瓷体；
一个固定在通孔一端的中心电极；
一个用来固定绝缘陶瓷体的壳体；
一个安置在壳体前端且面向中心电极的接地电极；
一个由中心电极和接地电极所限定的火花间隙；以及
中心电极和接地电极中至少有一个连接到火花塞前端放电点的贵金属片，其特征在于，该贵金属片由一种合金组成，所述合金至少包含铱和铑作为必要元素，其中铱的含量最大而铑的含量次大，铑的重量含量在3％至30％。
5.根据权利要求1或2任一个所述的火花塞，其特征在于，铱-铑合金还包含有含量在0.5％到5％的元素周期表中3A或4A组中元素的氧化物。
6.根据权利要求5所述的火花塞，其特征在于，3A组中元素的氧化物是由Y2O3组成的。
7.根据权利要求5所述的火花塞，其特征在于，4A组中元素的氧化物是由ZrO2组成的。
8.根据权利要求1或2任一个所述的火花塞，其特征在于，中心电极的贵金属片的外径为A，重量为B，其在由下面的式子所确定的范围内：
0.5mm≤A≤2.0mm
0.3mm≤B≤2.5mm。
9.根据权利要求1或2任一个所述的火花塞，其特征在于，接地电极的贵金属片的外径为C，重量为D，其在由下面的式子所确定的范围内：
0.5mm≤C≤1.7mm
0.3mm≤D≤1.0mm。
10.根据权利要求1或2任一个所述的火花塞，其特征在于，中心电极有一个由镍合金组成的壳体部分，并有用激光焊或电阻焊连到壳体前端放电点的贵金属片。
11.根据权利要求1或2任一个所述的火花塞，其特征在于，接地电极有一个由镍合金组成的壳体部分，并有用激光焊或电阻焊连到壳体前端放电点的贵金属片。
12.一个内燃机所用的火花塞，有：
一个开有一通孔的绝缘陶瓷体；
一个固定在通孔一端的中心电极；
一个用来固定绝缘陶瓷体的壳体；
一个安置在壳体前端且面向中心电极的接地电极；
一个由中心电极和接地电极所限定的火花间隙；以及
中心电极和接地电极中至少一个有一个连到火花塞前端放电点的贵金属片，其特征在于该贵金属片是由重量含量为3％到30％铑含量的铱-铑合金组成。
13.根据权利要求12所述的火花塞，其特征在于，贵金属片包含重量占95％到99.5％的铱-铑合金。
14.根据权利要求12所述的火花塞，其特征在于，铱-铑合金还包含有周期表中3A组成4A组元素的至少一种氧化物，其含量从0.5％到5％重量百分比。
15.根据权利要求14所述的火花塞，其特征在于，周期表中3A组中元素的氧化物是由Y2O3(三氧化二钇)所组成。
16.根据权利要求14所述的火花塞，其特征在于，周期表中4A组中元素的氧化物是由ZrO3(三氧化锆)秘组成。
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