CN106605341B - 陶瓷的火花塞绝缘器、火花塞和在火花塞绝缘器上对釉的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种陶瓷的火花塞绝缘器，其具有改善的电抵抗能力和机械抵抗能力。
Description
背景技术
本发明涉及一种陶瓷的火花塞绝缘器、一种包括该火花塞绝缘器的火花塞以及一种在火花塞绝缘器上对釉的应用。
为了节省汽车气缸盖中的安装空间，火花塞有狭窄的趋势。为此，陶瓷绝缘器的壁厚特别是在火花塞底脚区域中同样也减小，该底脚区域决定了中间电极的造型。恰恰是在燃烧室侧的区域中，这往往导致电抵抗能力的问题，因为这里有很高的场强，此外在所述区域内，绝缘器的横截面减小。在燃烧室中减小的这种火花塞因而寿命短。
发明内容
而具有权利要求1的特征的本发明的陶瓷的火花塞绝缘器在造型狭窄情况下以抗击穿能力高为见长。这通过把釉覆设到在绝缘器内构造的底脚缩窄部上来实现，该底脚缩窄部是在位于燃烧室中的绝缘器区域和位于燃烧室外部的绝缘器区域之间的过渡区域。底脚缩窄部在此是火花塞绝缘器的一个区段，在该区段内，横截面朝向绝缘器底脚尖端变细或变窄。底脚缩窄部体现了减小安装空间的火花塞的尺寸减小。通过把釉覆设到底脚缩窄部的朝向火花塞绝缘器外侧的整个第一表面区域A上，才可以实现提供在其尺寸方面狭窄的火花塞绝缘器，进而也提供了节省安装空间的火花塞，该火花塞绝缘器或火花塞在电方面以及机械方面绝对没有稳定性上的损失。通过釉覆设，减小了火花塞绝缘器的第一表面区域A的粗糙度，避免了比如在绝缘器的打磨过程期间产生的裸露的孔眼和凹坑，该第一表面区域在火花塞绝缘器的轴向方向X-X上具有第一长度LA。长度LA被规定为在火花塞绝缘器的轴向方向X-X上的最大长度。由此使得在火花塞工作时的电场局部超高最小。这导致在施加更高的电压情况下才会发生电击穿。因此改善了具有本发明的陶瓷绝缘器的火花塞的抗击穿能力。此外，利用釉可以使得绝缘器的表面平滑，进而减少在底脚缩窄部中形成缺口，这优化了该区域内的机械的横向承载性，提高了火花塞在工作条件下的抵抗能力。为此，釉形成了一种保护层，其提高了火花塞绝缘器的在机械载荷高的区域比如底脚缩窄部中的抵抗能力。由此特别是也可以减小火花塞绝缘器的在底脚缩窄部区域中以及在与底脚缩窄部邻接的绝缘器区域中的横截面。此外，通过在釉熔化后把釉覆设在绝缘器表面上，可以建立起机械的压力应力，其导致局部地预先补偿在弯曲载荷作用到绝缘器表面上时的拉力应力。由此也改善了火花塞绝缘器的机械稳固性。
从属权利要求给出了本发明的优选的改进。
为了改善陶瓷的火花塞绝缘器的抗击穿能力以及机械稳固性，火花塞绝缘器包括处于绝缘器头部的方向上的与底脚缩窄部相邻的第二表面区域B和处于燃烧室侧的与底脚缩窄部相邻的第三表面区域C，第二表面区域具有在火花塞绝缘器的轴向方向X-X上规定的第二长度LB，第三表面区域具有在火花塞绝缘器的轴向方向X-X上规定的第三长度LC。因此满足至少一种如下关系：LA=LB和/或LA=LC/2和/或LB=LC/2。相应的各表面区域的长度都规定为在火花塞绝缘器的轴向方向X-X上的最大长度。
为了特别有效地避免在底脚缩窄部周围伸展的区域内形成缺口，进而进一步改善火花塞绝缘器的机械的横向承载性，进一步有利地规定，第二表面区域B包括与底脚缩窄部相邻的上釉的第四表面区域D和在绝缘器头部的方向上与该第四表面区域D连接的未上釉的第五表面区域E。在此，第四表面区域D从底脚缩窄部朝向火花塞绝缘器的绝缘器头部延展长达4mm，特别是长达3mm。
为了在空间上由最高机械载荷的区域矫正（entzerren）高电场的区域，进一步有利地规定，处于燃烧室侧的与底脚缩窄部相邻的第三表面区域C包括与底脚缩窄部相邻的上釉的具有第六长度LF的第六表面区域F和在绝缘器底脚尖端的方向上与第六表面区域F连接的未上釉的具有第七长度LG的第七表面区域G，其中，这些长度都规定为在火花塞绝缘器的轴向方向X-X上的最大长度，且满足如下关系：LF≥LG。
出于上述原因，上釉的第六表面区域F进一步有利地从底脚缩窄部在燃烧室侧最多延伸至位于燃烧室侧的绝缘器底脚尖端前面2mm。替代地或附加地，第六表面区域F的第六长度LF满足如下关系：4mm≤LF≤(LA+LE+LF)/2，其中，这些长度都规定为在火花塞绝缘器的轴向方向X-X上的最大长度。此外，由此可以改善地避免在底脚缩窄部上产生并联（表面放电火花）。
为了使得火花塞绝缘器进一步狭窄，而不必忍受在机械的和电的承载性方面的损失，绝缘器头部和绝缘器底脚通过安装区域连接。该安装区域在绝缘器头部侧与底脚缩窄部连接，因而具有第二表面区域B。安装区域包括束腰部和鼓肚部，鼓肚部在绝缘器头部的方向上与束腰部连接。束腰部是火花塞绝缘器的一个区域，这个区域的横截面在绝缘器底脚的方向上减小。鼓肚部是火花塞绝缘器的包括至少一个六角部的区域，所述六角部便于把火花塞安装在发动机缸体中。鼓肚部因而是一个在横截面方面相比于火花塞绝缘器的余下的周围的区段展宽的区段。为了提高机械稳固性，束腰部的朝向火花塞绝缘器外侧的第八表面区域H也具有釉。
为了进一步提高火花塞绝缘器的抗弯曲能力，不仅束腰部的朝向火花塞绝缘器外侧的具有第八长度LH的表面区域即第八表面区域H含有釉，而且鼓肚部的与束腰部连接的进而在绝缘器头部方向与束腰部相邻的第九表面区域I含有釉。鼓肚部的第九表面区域I因而在第九长度LI上被上釉。沿着绝缘器头部的方向，在第九表面区域I上连接着具有第十长度LJ的第十表面区域J。第十表面区域J没有根据本发明设置的釉，并满足如下关系：
0<LI≤(LJ+LI)/2。
一种特别火花稳定的且可承受机械载荷的釉的特点在于如下组分：
SiO2：37.0～46.0%（重量），优选37.0～44.0%（重量）；
B2O3：12.0～28.0%（重量），优选17.5～23.0%（重量）；
Al2O3：4.0～21.0%（重量），优选8.5～16.0%（重量）；
ZnO：6.0～11.4%（重量），优选7.8～11.4%（重量）；
F：0.6～4%（重量），优选0.6～3.0%（重量）；
Li2O：1.5～4%（重量），优选1.9～3.5%（重量）；
Na2O：0.1～2.5%（重量），优选0.1～2.0%（重量）；
K2O：0.5～4.5%（重量），优选3.0～4.5%（重量）；
CaO：1.8～6%（重量），优选2.1～4.2%（重量）；
SrO：0.1～3.6，优选0.1～1.2%（重量）；和
BaO：0.8～6.8%（重量），优选4.5～6.5%（重量）；
其中，给出的这些值都是以釉的总重量为参照的。
为了在最大程度地形成保护性的釉的情况下避免在釉中产生表面缺陷，釉的层厚度平均为5~40μm、特别是7~25μm。
同样，根据本发明也记载了一种用于内燃机的火花塞，该火花塞包括金属的壳体、中间电极、至少一个设置在壳体上的接地电极和如前所述的陶瓷的火花塞绝缘器，以便使得中间电极与接地电极分开。在构造方式节省空间的情况下，由于局部地在朝向火花塞绝缘器外侧的表面区域上覆设的釉，本发明的火花塞的特点在于，抗击穿能力高，并且，机械承载性好。火花塞的电抵抗能力以及机械抵抗能力是高的，进而其寿命也是高的。
釉有利地也经过设计，从而对于气密地密封在接地电极和中间电极之间的燃烧室来说，可以省去内部的密封件，通常是密封圈。
为了简化釉覆设，进而为了提高火花塞绝缘器制造的节奏（Taktung），釉也可以覆盖火花塞绝缘器的全部表面区域。
此外，根据本发明，也记载了在火花塞绝缘器的横截面减小的区域上、特别是在底脚缩窄部的区域—位于燃烧室中的绝缘器区域和位于燃烧室外部的绝缘器区域之间的过渡区域—内的釉用于提高火花塞的抗击穿能力的应用。
下面参照附图详述本发明的实施例。在此，相同的附图标记表示相同的构件。附图中：
图1为第一种根据本发明的火花塞的局部剖视图；
图2为图1的火花塞的局部剖视图；
图3示出图2的火花塞的局部剖视图的放大的部分；和
图4为第二种根据本发明的火花塞的局部剖视图的放大的部分。
本发明的实施方式
如由图1可见，本发明的火花塞100包括接地电极13、中间电极8和陶瓷的火花塞绝缘器10。金属的壳体7至少部分地包围火花塞绝缘器10。在壳体7上设有螺纹15，该螺纹被设计用来将火花塞100固定在气缸盖14中。密封圈11把火花塞100的燃烧室气密地封锁。
图2为图1的火花塞100的局部剖视图，且尤其示出了火花塞绝缘器10的区域。火花塞绝缘器10具有沿电的接头区域5的方向朝向的绝缘器头部1和位于燃烧室侧的绝缘器底脚2。在绝缘器头部1和绝缘器底脚2之间设置有安装区域3，该安装区域包括横截面减小部即所谓的束腰部（Bundkehle）9a和鼓肚部（Bundhöhe）9b。
在绝缘器底脚2中也有一个横截面减小的区域，即所谓的底脚缩窄部4—位于燃烧室中的绝缘器底脚2和位于燃烧室外部的绝缘器区域之间的过渡区域。如这里所示，燃烧室可以从燃烧室外部的区域被密封圈11气密地封锁。
底脚缩窄部4具有朝向火花塞绝缘器10的外侧的第一表面区域A，且具有釉12，因而被上釉，该表面区域带有沿着火花塞绝缘器的轴向方向X-X规定的第一长度LA。在火花塞绝缘器10的处于绝缘器头部1的方向上的与底脚缩窄部4相邻的区段即安装区域3上，火花塞绝缘器10具有朝向火花塞绝缘器10的外侧的第二表面区域B。在火花塞绝缘器10的处于燃烧室侧的与底脚缩窄部4相邻的区段上，绝缘器底脚2具有朝向火花塞绝缘器10的外侧的第三表面区域C。该表面区域C未上釉。
束腰部9a在朝向火花塞绝缘器10的外侧的第八表面区域H上具有釉12，该表面区域具有第八长度LH。
鼓肚部9b包括具有第九长度LI的表面区域I和具有第十长度LJ的在绝缘器头部1的方向上与第九表面区域I连接的未上釉的第十表面区域J，其中，第九表面区域I具有釉12，且有利地满足如下关系：
0<LI=(LJ+LI)/2。
图3所示为在图1和2的火花塞100的火花塞绝缘器10的处于燃烧室中的绝缘器底脚2与处于燃烧室外部的区域之间的过渡区域的一部分的详图。在此，底脚缩窄部4的表面区域与第一表面区域A重叠，也就是说，仅仅在底脚缩窄部4的横截面减小的区域中，这里在其整个第一表面区域A中，设有釉12。在此，在底脚缩窄部4的相邻的未上釉的那些区域中的横截面基本上恒定。
釉12有利地具有5~40μm、特别是7~25μm的平均层厚度。
通过釉12，明显提高了陶瓷绝缘器的抗弯曲能力。对于本发明的火花塞100来说，所述抗弯曲能力高于850N，而相应的未上釉的火花塞仅有大约660N的抗弯曲能力。本发明的火花塞100的抗击穿能力也得到明显提高，且至少为大约42kV，而相仿的通常的火花塞只有大约35kV的抗击穿能力。
第一表面区域A具有第一长度LA，第二表面区域B具有第二长度LB，第三表面区域C具有第三长度LC。相应的各长度都是最大长度，并且是在火花塞绝缘器的轴向方向X-X上规定的。因此，在火花塞绝缘器10的轴向方向X-X上，绝缘器底脚2的总长度为：LA+LC。
有利地，在各个表面区域的长度之间存在至少一种如下关系：LA=LB和/或LA=LC/2和/或LB=LC/2。
图4所示为在第二种根据本发明的火花塞100的火花塞绝缘器10的处于燃烧室中的绝缘器底脚2与处于燃烧室外部的区域之间的过渡区域的一部分的详图。
与图1~3的火花塞100不同，第二表面区域B包括与底脚缩窄部4相邻的第四表面区域D和在绝缘器头部1的方向上与该第四表面区域D连接的第五表面区域E。如同第一表面区域A一样，第四表面区域D具有釉12。上釉的表面区域因而从底脚缩窄部4朝向绝缘器头部1扩展，确切地说，上釉的第四表面区域D从底脚缩窄部4朝向绝缘器头部1延展长达4mm，特别是长达3mm。
此外，第三表面区域C包括与底脚缩窄部4相邻的上釉的第六表面区域F和在绝缘器底脚尖端6的方向上与第六表面区域F连接的未上釉的第七表面区域G，从而釉从底脚缩窄部4起也朝向位于燃烧室侧的绝缘器底脚尖端6延伸。在此，上釉的第六表面区域F从底脚缩窄部4在燃烧室侧最多延伸至位于燃烧室侧的绝缘器底脚尖端6前面2mm，这预防了因机械载荷引起形成缺口。
有利地，上釉的第六表面区域F具有第六长度LF，且满足如下关系：4mm≤LF≤(LA+LF+LG)/2，其中，这些长度都规定为在火花塞绝缘器的轴向方向X-X上的最大长度。
在图4中，表面区域A'是覆盖釉的整个表面区域。上釉的整个表面区域A'包括底脚缩窄部的表面区域A，且在此朝向绝缘器头部1延伸经过底脚缩窄部4的表面区域A到达第四表面区域D，并在燃烧室侧到达第六表面区域F。这有助于火花塞绝缘器10的横向承载性。
总之，因此第一表面区域A具有第一长度LA，第二表面区域B具有第二长度LB，第三表面区域C具有第三长度LC，第四表面区域D具有第四长度LD，第五表面区域E具有第五长度LE，第六表面区域F具有第六长度LF，第七表面区域G具有第七长度LG。上釉的整个表面区域A'因而具有总长度：LA'=LA+LD+LF。绝缘器底脚2的总长度还可以为LA+LF+LG。相应的各长度都是最大长度，并且是在火花塞绝缘器10的轴向方向X-X上规定的。
有利地，上釉的第六表面区域F具有长度LF，未上釉的朝向绝缘器底脚尖端6的第七表面区域G具有长度LG，且满足如下关系：LF≥LG。
在构造方式节省安装空间的情况下，火花塞100的特点是，抗击穿能力高，并且，机械承载性很好。
Claims (13)
1.一种陶瓷的火花塞绝缘器，具有沿电的接头区域（5）的方向朝向的绝缘器头部（1）和位于燃烧室侧的绝缘器底脚（2），其中，所述火花塞绝缘器在位于所述燃烧室中的所述绝缘器底脚（2）和位于所述燃烧室外部的绝缘器区域之间的过渡区域内包括底脚缩窄部（4），该底脚缩窄部在朝向所述火花塞绝缘器（10）的外侧的第一表面区域（A）上具有釉（12），该第一表面区域具有在所述火花塞绝缘器的轴向方向（X-X）上规定的第一长度LA，其中，所述火花塞绝缘器具有处于燃烧室侧的与所述底脚缩窄部（4）相邻的第三表面区域（C），其特征在于，所述第三表面区域（C）包括与所述底脚缩窄部（4）相邻的上釉的具有第六长度LF的第六表面区域（F）和在绝缘器底脚尖端（6）的方向上与所述第六表面区域（F）连接的未上釉的具有第七长度LG的第七表面区域（G），其中，这些长度都规定为在所述火花塞绝缘器（10）的轴向方向（X-X）上的最大长度，且满足如下关系：LF≥LG。
2.如权利要求1所述的陶瓷的火花塞绝缘器，其特征在于，所述火花塞绝缘器具有处于所述绝缘器头部（1）的方向上的与所述底脚缩窄部（4）相邻的第二表面区域（B）和处于燃烧室侧的与所述底脚缩窄部（4）相邻的所述第三表面区域（C），第二表面区域具有第二长度LB，第三表面区域具有第三长度LC，其中，这些长度都规定为在所述火花塞绝缘器（10）的轴向方向（X-X）上的最大长度，且至少满足如下关系中的一种：
LA=LB；和/或
LA =LC/2；和/或
LB=LC/2。
3.如权利要求2所述的陶瓷的火花塞绝缘器，其特征在于，所述第二表面区域（B）包括与所述底脚缩窄部（4）相邻的上釉的第四表面区域（D）和在所述绝缘器头部（1）的方向上与该第四表面区域（D）连接的未上釉的第五表面区域（E），其中，所述第四表面区域（D）从所述底脚缩窄部（4）朝向所述绝缘器头部（1）延展小于等于4mm。
4.如权利要求1至3中任一项所述的陶瓷的火花塞绝缘器，其特征在于，上釉的所述第六表面区域（F）从所述底脚缩窄部（4）在燃烧室侧最多延伸至位于燃烧室侧的所述绝缘器底脚尖端（6）前面2mm，和/或，所述第六表面区域（F）的第六长度（LF）满足如下关系：
4mm≤LF≤(LA+LF+LG)/2，
其中，这些长度都规定为在所述火花塞绝缘器（10）的轴向方向（X-X）上的最大长度。
5.如权利要求2所述的陶瓷的火花塞绝缘器，其特征在于，所述绝缘器头部（1）和所述绝缘器底脚（2）通过安装区域（3）相互连接，该安装区域具有所述第二表面区域（B），所述安装区域（3）包括束腰部（9a）和鼓肚部（9b），该鼓肚部在所述绝缘器头部（1）的方向上与所述束腰部（9a）连接，其中，所述束腰部（9a）在朝向所述火花塞绝缘器（10）的外侧的具有第八长度（LH）的第八表面区域（H）上含有釉（12），和/或，其中，第八表面区域（H）具有釉（12），并且，所述鼓肚部（9b）包括与所述束腰部（9a）相邻的上釉的具有第九长度（LI）的第九表面区域（I）和在所述绝缘器头部（1）的方向上与所述第九表面区域（I）连接的具有第十长度（LJ）的第十表面区域（J），该第十表面区域没有釉，并满足如下关系：
0<LI≤(LJ+LI)/2。
6.如权利要求1所述的陶瓷的火花塞绝缘器，其特征在于，所述釉（12）具有分别以所述釉（12）的总重量为参照的如下组分：
SiO2：37.0～46.0%重量百分比；
B2O3：12.0～28.0%重量百分比；
Al2O3：4.0～21.0%重量百分比；
ZnO：6.0～11.4%重量百分比；
F：0.6～4%重量百分比；
Li2O：1.5～4%重量百分比；
Na2O：0.1～2.5%重量百分比；
K2O：0.5～4.5%重量百分比；
CaO：1.8～6%重量百分比；
SrO：0.1～3.6重量百分比；和
BaO：0.8～6.8%重量百分比。
7.如权利要求1所述的陶瓷的火花塞绝缘器，其特征在于，所述釉（12）具有5~40μm的层厚度。
8.如权利要求3所述的陶瓷的火花塞绝缘器，其特征在于，所述第四表面区域（D）从所述底脚缩窄部（4）朝向所述绝缘器头部（1）延展小于等于3mm。
9.如权利要求6所述的陶瓷的火花塞绝缘器，其特征在于，所述釉（12）具有分别以所述釉（12）的总重量为参照的如下组分：
SiO2：37.0～44.0%重量百分比；
B2O3：17.5～23.0%重量百分比；
Al2O3：8.5～16.0%重量百分比；
ZnO：7.8～11.4%重量百分比；
F：0.6～3.0%重量百分比；
Li2O：1.9～3.5%重量百分比；
Na2O：0.1～2.0%重量百分比；
K2O：3.0～4.5%重量百分比；
CaO：2.1～4.2%重量百分比；
SrO：0.1～1.2%重量百分比；和/或
BaO：4.5～6.5%重量百分比。
10.如权利要求7所述的陶瓷的火花塞绝缘器，其特征在于，所述釉（12）具有7~25μm的层厚度。
11.一种用于内燃机的火花塞，包括：
- 金属的壳体（7）；
- 中间电极（8）；
- 至少一个设置在所述壳体（7）上的接地电极；和
- 根据权利要求1至10中任一项所述的陶瓷的火花塞绝缘器（10），以便使得所述中间电极（8）与所述接地电极分开。
12.釉（12）在如权利要求1至10中任一项所述的陶瓷的火花塞绝缘器（10）的横截面减小的区域上用于提高火花塞（100）的抗击穿能力的应用。
13.如权利要求12所述的应用，其特征在于，所述横截面减小的区域是底脚缩窄部（4）的区域或位于燃烧室中的绝缘器底脚（2）和位于所述燃烧室外部的绝缘器区域之间的过渡区域。
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