CN111641114B - 一种火花塞 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火花塞，其包括：中心电极；绝缘体；金属壳体以及侧电极；侧电极具有外层部和芯材，芯材包括第一芯材和第二芯材，第二芯材形成于相对靠内侧的位置，第一芯材以在周向上包围第二芯材的方式形成于相对靠外侧的位置，侧电极被焊接于上述金属壳体的前端面上后形成熔融区，在该熔融区中沿火花塞轴线的轴向剖面上且该轴向剖面穿过侧电极，在侧电极的后端部处，靠近中心电极方向的外层部的后端部与远离中心电极方向的外层部的后端部相对靠拢融合接触形成交接线LI，利用靠近中心电极方向的外层部的后端部与远离中心电极方向的外层部的后端部包裹住第一芯材和第二芯材的后端部，使得第一芯材和第二芯材与金属壳体之间完全隔离开来。

Description

一种火花塞

技术领域

本发明涉及一种火花塞，尤其涉及一种具有多层结构侧电极的火花塞。

背景技术

近年来随着发动机的小型化，并且由于采用缸内直喷、涡轮增压等技术，发动机的升功率越来越高，造成了燃烧室内的爆发压力和爆发温度越来越高，火花塞作为伸入燃烧室的发动机的关键零部件，需要具备承受超级高温和超级压力的能力，尤其是火花塞侧电极，其伸入燃烧室的长度最深，所承载的热负荷最高，传统的单一镍合金材料已不能满足苛刻的工作环境，会出现烧蚀或者加快材料损耗等现象，另一方面虽然可以增加侧电极的横截面积来提高散热能力，但是由于火花塞的小径化，壳体的前端面没有足够的空间焊接侧电极，因此，近年来公开了多层的侧电极结构。

如申请公布号为CN103190043A，申请公布日为2013年7月3日的中国发明专利公开了一种火花塞，其包括：棒状的中心电极，其沿轴线方向延伸；绝缘体，其具有沿上述轴线方向延伸的轴孔，并在该轴孔 内保持上述中心电极；金属壳体，其在周向上包围并保持该绝缘体；以及接地电极，其基端部被焊接于上述金属壳体，在该接地电 极的顶端部与上述中心电极的轴线方向顶端侧的端部之间形成间隙；上述接地电极具有表面层和芯材，该表面层形成上述接地电极自身的表面，该芯材形成于比该表面层靠内部的位置，且该芯材的热导率比该表面层的热导率大，上述表面层在沿着该接地电极的外形朝向上述顶端部侧的方向上距离上述基端部1mm的位置、即指定位置处的厚度为0.2mm以上且0.4mm以下，在将上述金属壳体的与上述基端部相焊接的焊接面处的、穿过上述接地电极的中心轴线并与上述轴线方向正交的方向、即指定方向上的上述金属壳体的宽度设为W1mm，将上述接地电极的上述指定位置处的、上述指定方向上的 厚度设为W2mm，将上述表面层的上述指定位置处的、上述指定方向上的厚 度设为W3mm时，满足W1≥W2×1.55－（W3＋0.25）的条件。

该专利文献中火花塞的侧电极由多层材料制成，其芯部具有更高的散热能力，从而能够降低火花塞侧电极的工作温度。该侧电极具有三层构造。具体地说，接地电极具有表面层和芯材，该表面层形成接地电极自身的表面，该芯材形成于比该表面层靠内部的位置，且该芯材的热导率比表面层的热导率大。此外，该芯材具有第1芯材和第2芯材，该第1芯材形成于相对靠内侧的位置，该第2芯材以在周向上包围第1芯材的方式形成于相对靠外侧的位置。在第2芯材中，使用热导率比第1芯材的热导率大且硬度比第1芯材的硬度小的材质。表面层使用Ni基耐热合金，第1芯材使用Ni，第2芯材中使用Cu。

由于Cu的高导热性，确实对降低侧电极的工作温度起到了显著的作用，但是由于Cu的硬度偏低，在高温环境下容易弯曲变形，从而对火花塞的点火间隙造成破坏，并且由于Cu的焊接性能不佳，容易造成脱落的风险，因此在火花塞侧电极上设置有第1芯材的技术，第1芯材通常由硬度比第2芯材硬度高的材料制成，并且其焊接性能与外层金属相当，从而能够解决上述侧电极有弯曲变形的问题，并且能够提高侧电极的焊接强度，但是由于Cu依然有一部分与焊接面接触，焊接强度依然不足以达到100%的可靠，且具有Cu泄露的风险，由此依然会造成火花塞侧电极脱落。

综上所述，如何设计一种具有多层结构侧电极的火花塞，使其能最大限度的的提升侧电极的散热能力和结合强度是急需解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的缺陷，提供一种具有多层结构侧电极的火花塞，其能最大限度的的提升侧电极的散热能力和结合强度。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种火花塞，其包括：棒状的中心电极，其沿轴线方向延伸；绝缘体，其具有沿上述轴线方向延伸的轴孔，并在该轴孔内保持上述中心电极，所述中心电极设置在绝缘体的前端侧；金属壳体，其在周向上包围并保持该绝缘体；以及侧电极，其后端部被焊接于上述金属壳体的前端面，侧电极的后端与金属壳体前端面结合在一起，形成有熔融区；在该侧电极的顶端部与上述中心电极的轴线方向顶端侧的端部之间形成间隙；上述侧电极具有外层部和芯材，该外层部形成上述侧电极自身的表面，该芯材形成于比该外层部靠内部的位置，且该芯材的热导率比该外层部的热导率大，所述芯材包括第一芯材和第二芯材，第二芯材形成于相对靠内侧的位置，第一芯材以在周向上包围第二芯材的方式形成于相对靠外侧的位置，侧电极被焊接于上述金属壳体的前端面上后形成熔融区，在该熔融区中沿火花塞轴线的轴向剖面上且该轴向剖面穿过侧电极，在侧电极的后端部处，靠近中心电极方向df方向的外层部的后端部与远离中心电极方向db方向的外层部的后端部相对靠拢融合接触形成交接线LI，利用靠近中心电极方向df方向的外层部的后端部与远离中心电极方向db方向的外层部的后端部包裹住第一芯材和第二芯材的后端部，使得第一芯材和第二芯材与金属壳体之间完全隔离开来。

优选的，交接线LI的长度为0.01-1.5mm。

优选的，交接线LI的轴向高度H为0.01-1mm。

优选的，侧电极外层部含有Cu成分。

优选的，cu占侧电极外层部的百分质量比为0wt%＜Cu＜3wt%，侧电极外层部的硬度在100HV以上。

优选的，交接线LI的前端点LI1位于与第二芯材相接触的位置，后端点LI2位于与金属壳体相接触的位置。

优选的，交接线LI的前端点LI1位于与远离中心电极方向db方向的第一芯材的后端部相接触的位置，后端点LI2位于与金属壳体相接触的位置。

优选的，交接线LI的前端点LI1位于与靠近中心电极方向df方向的第一芯材的后端部相接触的位置，后端点LI2位于与金属壳体相接触的位置。

本发明的有益效果在于：本发明通过设计利用外层部的后端部与远离中心电极方向db方向的外层部的后端部包裹住第一芯材和第二芯材的后端部，使得第一芯材和第二芯材与金属壳体之间完全隔离开来，这样使得芯材与焊接面完全隔离起来，极大的提高了可靠性，能最大限度的的提升侧电极的散热能力和结合强度。通过设定交接线LI的长度和轴向高低进一步提高了结合强度。通过设置侧电极外层部的Cu成分的质量百分占比及侧电极外层部的硬度范围，能保证最佳的侧电极的工作温度。通过设计交接线的多种位置关系，能进一步保证结合强度。

附图说明

图1为本发明实施例1的火花塞中位于侧电极一端处的局部轴向剖视结构示意图；

图2为本发明实施例1的火花塞中位于侧电极一端处的俯视结构示意图；

图3为沿图2中A-A线的剖视结构示意图；

图4为图3中位于交接线处的局部示意图；

图5为本发明实施例3的火花塞中位于交接线处的局部轴向剖视结构示意图；

图6为本发明实施例4的火花塞中位于交接线处的局部轴向剖视结构示意图；

图中：1. 绝缘体，2. 中心电极，3. 金属壳体，4. 侧电极，411. 外层部，412. 第一芯材，413. 第二芯材。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的阐述。

实施例1：如图1所示，一种火花塞，其包括：棒状的中心电极2，其沿轴线方向延伸；绝缘体1，其具有沿上述轴线方向延伸的轴孔，并在该轴孔内保持上述中心电极2，所述中心电极2设置在绝缘体1的前端侧（图中箭头所指TP方向为前端侧，相反的方向TX方向为后端侧）；金属壳体3，其在周向上包围并保持该绝缘体1；以及侧电极4，其后端部被焊接于上述金属壳体3的前端面，侧电极4的后端与金属壳体前端面结合在一起，形成有熔融区；在该侧电极4的顶端部与上述中心电极2的轴线方向顶端侧的端部之间形成间隙K；上述侧电极4具有外层部411和芯材，该外层部411形成上述接地电极自身的表面，该芯材形成于比该外层部411靠内部的位置，且该芯材的热导率比该外层部411的热导率大，所述芯材包括第一芯材412和第二芯材413，第二芯材413形成于相对靠内侧的位置，第一芯材412以在周向上包围第二芯材413的方式形成于相对靠外侧的位置。第一芯材412的导热率比第二芯材413高，第二芯材413具有比第一芯材412更高的硬度。外层部411可采用Ni基耐热合金，第一芯材412可采用Cu，第二芯材413可采用Ni。

如图2和图3所示，侧电极4被焊接于上述金属壳体3的前端面上后形成熔融区，在该熔融区中沿火花塞轴线AL的轴向剖面上且该轴向剖面穿过侧电极，在侧电极4的后端部处，靠近中心电极方向df方向的外层部411的后端部与远离中心电极方向db方向的外层部411的后端部相对靠拢融合接触形成交接线LI，利用靠近中心电极方向df方向的外层部411的后端部与远离中心电极方向db方向的外层部411的后端部包裹住第一芯材412和第二芯材413的后端部，使得第一芯材412和第二芯材413与金属壳体3之间完全隔离开来。

如图4所示，交接线LI具有上、下两个端点，即前端点LI1和后端点LI2，前端点LI1位于与第二芯材413相接触的位置，后端点LI2位于与金属壳体3相接触的位置。这样，使得交接线与最里面的第二芯材413也具有结合位置，从而进一步提高了整个的结合强度。

申请人将上述改进后的火花塞进行了攀折试验，在火花塞的金属壳体的六方或十二角处固定住金属壳体，使用工具夹持住侧电极，并且施加一个与焊接面垂直的100N的力，使用带有角度标记的工具朝方向为df和db方向往返攀折侧电极，每次每个方向角度为45°，每往返一次记为一次试验。每完成一次试验，在体式显微镜下观察焊接面是否有裂纹，有裂纹或侧电极脱落停止试验，完成三次试验，停止试验。将完成三次试验的表现代表优秀，记为◎，考虑到在试验时侧电极在df和db方向的表面会有开裂的可能，因此将在攀折时焊接面未开裂，但df和db方向表面开裂的情况的表现代表中等，记为○，将侧电极脱落或者焊接面开裂的情况代表不合格，记为Δ。

分别将10个采用本实施例结构的火花塞（A）和10个第一芯材与壳体端面接触的火花塞（B）（即现有的火花塞）按照上述试验方法进行攀折试验，关于两种不同的焊接熔融区的火花塞的获取方法是通过焊接前设置的不同结构的侧电极的焊接初始结构获得的，并且通过适当的改变焊接电流和预压压力使焊接性能达到最佳效果。

试验数据如下图所示：

从上述试验数据可以看出，本实施例中的火花塞进行侧电极攀折试验后，没有出现不合格的情况，而现有的火花塞中出现了2次不合格的情况。

关于交接线LI的长度和轴向高度的数值选取范围也是一个需要研究的地方，这些参数对侧电极的结合强度影响也比较大。

对此，申请人也进行了相关试验，将侧电极焊接区并包括中心电极的部分使用高精度切割机切下来，使用自动镶嵌机进行镶嵌，在获得圆形的镶嵌块后，然后使用自动磨剖机进行磨剖，将平面磨剖至大致通过中心电极轴线的位置，通过3D材料金相显微镜系统对熔融区进行拍照，通过3D材料金相显微镜系统的曲线长度测量的功能对交接线LI长度进行测量，获得交接线LI的长度L和轴向高度H。通过改变焊接电流、压力和侧电极焊接面初始结构在侧电极焊接时获得不同长度的LI的长度和高度H，以对具有不同尺寸的交接线的火花塞分别进行试验，长度LI的和高度H单位为毫米（mm）。

通过发动机台架耐久试验验证不同的LI的长度L和高度H对焊接强度的影响，本次试验采用一台1.5L的发动机，进气模式为涡轮增压，喷油方式为缸内直喷，火花塞安装螺纹为M12。将具有不同尺寸的交接线的火花塞装入发动机，发动机以全速全负荷运行100h，所述全速全负荷为5500rpm,WOT的状态。运行结束后，将火花塞拆下来，先用体式显微镜系统对侧电极焊接面观察和测量，确认焊接周面是否有裂纹，如果确认有裂纹测量裂纹的长度。按照之前的测试方法再进行攀折试验。通过两项试验的判定为优秀，记为◎，只通过第一项试验（无裂纹）的判定为不合格，记为£，两项试验都未通过通过的判定为不合格，记为Δ。具体试验数据如下图所示：

从上述试验数据可以看出，当交接线LI的长度L为0.01-1.5mm，轴向高度H为0.01-1mm时，其试验结果较好。但是，申请人考虑到当LI或者H过高过长时，由于焊接无法熔透容易造成内部空洞的问题，在进行台架试验时容易造成散热不良，从而时侧电极开裂或易于脱落。因此将长度L的最优选范围在0.05-1mm之间，轴向高度H的最优选范围在0.03mm-0.5mm之间。

侧电极外层部含有一定的Cu，通过对侧电极外层部加入Cu可进一步降低侧电极的工作温度。试验方法，在火花塞的侧电极中内置一根直径为0.3mm的热电偶，用来测量火花塞在发动机工作时的侧电极温度，分别制作A和B两种测温火花塞，其中A测温火花塞的侧电极为外层部含有Cu的材料，B测温火花塞的侧电极为外层部不含有Cu的材料，热电偶的位置均位于距离侧电极前端面1mm处。在发动机上的1缸和3缸装入A测温火花塞，2缸和4缸装入B测温火花塞，使侧电极的朝向均位于发动机燃烧室的排气侧，所指1缸为远离测功机的气缸。在不同的发动机转速下测得的各气缸的温度如下图所示,可见1缸和3缸的火花塞侧电极温度均低于2缸和4缸，侧电极外层部具有Cu的火花塞在散热方面具有明显的优势。

从上述数据中，可以看出在基体中也加入cu的做法可以使侧电极的散热性能更好。

但是，需要考虑的另外一个问题是，基体中加入过多的cu会使侧电极外层部的硬度降低，从而影响疲劳性能。因此cu的含量应该选在一个合理的范围比较合适，使得其既能降低侧电极外层部的硬度，又能保证疲劳性能。

对此，申请人进行了试验，以下试验数据是通过振动试验后获得，依据GB/T 7825中规定的火花塞振动试验标准，将火花塞按相关国家标准规定的扭矩安装于标准的振动试验台，振动试验参数满足：

——频率范围 ：50Hz -500Hz，正弦信号；

——扫频速率：1倍频/分钟；

——振动加速度：30g(294m/s2)；

——振动方向：火花塞轴向和径向；

——持续时间：每个方向8小时。

在试验开始前通过投影检测将试验样件的初始间隙K，将5种不同的侧电极外层部的cu含量的火花塞样件分别按照上述标准进行振动试验，cu的含量分别为0.1wt%、0.4wt%、1wt%、3wt%、4wt%，侧电极外层部的CU的含量是通过日立SU3500扫描电镜获得的，侧电极外层部是以Ni为主要成分的镍合金，其中还还包括Si、Ti等材料。将实施了16h的振动试验的火花塞，进行再次投影检测火花塞的间隙，此时的间隙记为K1，当间隙的增长量大于0.02mm时，认为此时的侧电极在轴向方向上的变化太大，或者说下垂量太大，此时判定为不被优选的，记为Δ，间隙增长量小于0.02mm时为优选的，记为◎，

具体数据如下图所示

从上述数据中，可以看出，当cu占侧电极外层部的百分质量比为0wt%＜Cu＜3wt%时，其试验结果较好，另外，此时的侧电极外层部的硬度在100HV以上，在此优选的范围内，既能降低侧电极外层部的硬度，又能保证疲劳性能。

实施例2：如图5所示，与实施例1相比，不同之处在于：交接线LI的前端点LI1位于与远离中心电极方向db方向的第一芯材412的后端部相接触的位置，后端点LI2位于与金属壳体3相接触的位置。

实施例3：如图6所示，与实施例1相比，不同之处在于：交接线LI的前端点LI1位于与靠近中心电极方向df方向的第一芯材412的后端部相接触的位置，后端点LI2位于与金属壳体3相接触的位置。

综上，本发明通过设计利用外层部的后端部与远离中心电极方向db方向的外层部的后端部包裹住第一芯材和第二芯材的后端部，使得第一芯材和第二芯材与金属壳体之间完全隔离开来，这样使得芯材与焊接面完全隔离起来，极大的提高了可靠性，能最大限度的的提升侧电极的散热能力和结合强度。通过设定交接线LI的长度和轴向高低进一步提高了结合强度。通过设置侧电极外层部的Cu成分的质量百分占比及侧电极外层部的硬度范围，能保证最佳的侧电极的工作温度。通过设计交接线的多种位置关系，能进一步保证结合强度。

以上实施例中所述的“多个”即指“两个或两个以上”的数量。以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应该由各权利要求限定。

Claims (8)

1.一种火花塞，其包括：棒状的中心电极，其沿轴线方向延伸；绝缘体，其具有沿上述轴线方向延伸的轴孔，并在该轴孔内保持上述中心电极，所述中心电极设置在绝缘体的前端侧；金属壳体，其在周向上包围并保持该绝缘体；以及侧电极，其后端部被焊接于上述金属壳体的前端面；在该侧电极的顶端部与上述中心电极的轴线方向顶端侧的端部之间形成间隙；上述侧电极具有外层部和芯材，该外层部形成上述侧电极自身的表面，该芯材形成于比该外层部靠内部的位置，且该芯材的热导率比该外层部的热导率大，所述芯材包括第一芯材和第二芯材，第二芯材形成于相对靠内侧的位置，第一芯材以在周向上包围第二芯材的方式形成于相对靠外侧的位置，其特征在于：侧电极被焊接于上述金属壳体的前端面上后形成熔融区，在该熔融区中沿火花塞轴线的轴向剖面上且该轴向剖面穿过侧电极，在侧电极的后端部处，靠近中心电极方向df方向的外层部的后端部与远离中心电极方向db方向的外层部的后端部相对靠拢融合接触形成交接线LI，利用靠近中心电极方向df方向的外层部的后端部与远离中心电极方向db方向的外层部的后端部包裹住第一芯材和第二芯材的后端部，使得第一芯材和第二芯材与金属壳体之间完全隔离开来。

2.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于：交接线LI的长度为0.01-1.5mm。

3.根据权利要求2所述的火花塞，其特征在于：交接线LI的轴向高度H为0.01-1mm。

4.根据权利要求3所述的火花塞，其特征在于：侧电极外层部含有Cu成分。

5.根据权利要求4所述的火花塞，其特征在于：cu占侧电极外层部的百分质量比为0wt%＜Cu＜3wt%，侧电极外层部的硬度在100HV以上。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的火花塞，其特征在于：交接线LI的前端点LI1位于与第二芯材相接触的位置，后端点LI2位于与金属壳体相接触的位置。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的火花塞，其特征在于：交接线LI的前端点LI1位于与远离中心电极方向db方向的第一芯材的后端部相接触的位置，后端点LI2位于与金属壳体相接触的位置。

8.根据权利要求1至5中任意一项所述的火花塞，其特征在于：交接线LI的前端点LI1位于与靠近中心电极方向df方向的第一芯材的后端部相接触的位置，后端点LI2位于与金属壳体相接触的位置。

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