CN111917009B

CN111917009B - 火花塞

Info

Publication number: CN111917009B
Application number: CN202010384554.1A
Authority: CN
Inventors: 后泽达哉; 后藤大希
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2019-05-10
Filing date: 2020-05-08
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2040-05-08
Also published as: CN111917009A; US10847951B1; JP7015272B2; JP2020187839A; DE102020112543A1; US20200358259A1

Abstract

提供燃料经济性提高的火花塞。火花塞具备：中心电极；接地电极，在所述接地电极与所述中心电极之间形成有火花放电用的间隙；及火花塞罩，将所述中心电极和所述接地电极从前端侧覆盖而形成副室，在所述火花塞罩设置有多个贯通孔，所述火花塞的特征在于，在假想了以在所述中心电极的轴线上将所述中心电极与所述接地电极的最短距离连结的线段的中点为中心且与所述多个贯通孔的内侧开口端中的最接近所述中心的点相接的球的情况下，在将所述副室中的存在于所述球中的区域的体积设为Amm³，将所述多个贯通孔的内侧开口端的平均面积设为Bmm²的情况下，满足80<A/B<5000的关系。

Description

火花塞

技术领域

本发明涉及火花塞。

背景技术

作为在内燃机(例如汽油发动机)中使用的点火用的火花塞，已知设置有将中心电极和接地电极从前端侧覆盖的副室的火花塞(例如，专利文献1)。

通常，具有副室的火花塞在用于产生火花的中心电极与接地电极的间隙即火花间隙中进行火花放电后，首先在副室内产生火焰。之后，通过火焰而副室内的压力升高，通过该压力，火焰从副室内通过贯通孔而向火花塞罩的外部喷出。然后，通过以喷出的火焰为着火源使燃烧室内的燃料气体燃烧，从而在燃烧室内引起爆炸性的燃烧。

在专利文献1中，公开了在沿着火花塞的轴线的方向上在火花间隙的位置设置有副室的贯通孔并且在副室的最靠前端侧的位置也设置有贯通孔的火花塞。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11-224763号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，在专利文献1所述的火花塞中，在火花放电后，首先，从设置于火花间隙的位置的贯通孔喷出火焰，之后，从最靠前端侧的位置的贯通孔喷出火焰。因而，在专利文献1的火花塞中，在来自副室的火焰的喷出速度过快的情况、贯通孔的开口面积过小的情况下，可能会因热损失而发生失火。因而，期望使燃料经济性提高并抑制失火的技术。

用于解决课题的手段

本发明为了解决上述的课题而完成，能够作为以下的方式而实现。

(1)根据本发明的一方式，提供火花塞。火花塞具备：中心电极；接地电极，在所述接地电极与所述中心电极之间形成有火花放电用的间隙；及火花塞罩，将所述中心电极和所述接地电极从前端侧覆盖而形成副室，在所述火花塞罩设置有多个贯通孔，所述火花塞的特征在于，在假想了以在所述中心电极的轴线上将所述中心电极与所述接地电极的最短距离连接的线段的中点为中心且与所述多个贯通孔的内侧开口端中的最接近所述中心的点相接的球的情况下，在将所述副室中的存在于所述球中的区域的体积设为Amm³，将所述多个贯通孔的内侧开口端的平均面积设为Bmm²的情况下，满足80<A/B<5000的关系。根据该方式的火花塞，通过使A/B成为期望的范围，能够使副室内的体积、贯通孔的面积及副室内的热量成为最佳的条件，因此能够作为使火焰的喷出速度提高的结果而使燃料经济性提高并抑制由向火花塞罩的热发散引起的失火。

(2)在上述方式的火花塞中，所述多个贯通孔的内侧开口端的面积可以均为相对于所述平均面积±5％以内的值。根据该方式的火花塞，每个贯通孔的火焰的喷出速度均一，因此能够提高燃烧的稳定性。

(3)在上述方式的火花塞中，可以满足100<A/B<4000的关系。根据该方式的火花塞，能够使燃料经济性进一步提高并有效地抑制失火。

(4)在上述方式的火花塞中，可以满足150<A/B<1500的关系。根据该方式的火花塞，能够使燃料经济性进一步提高并有效地抑制失火。

需要说明的是，本发明能够以各种方式实现，例如，能够以安装有火花塞的发动机盖等方案实现。

附图说明

图1是示出火花塞的局部剖面的说明图。

图2是从前端侧观察火花塞罩时的示意图。

图3是将副室放大的图。

图4是示出证明使燃料经济性提高并抑制失火这一效果的实验结果的图。

标号说明

10…绝缘体

12…轴孔

13…长腿部

14…轴孔内台阶部

15…绝缘体台阶部

17…前端侧主干部

18…后端侧主干部

19…中央主干部

20…中心电极

21…电极构件

22…芯材

23…凸缘部

30…接地电极

31…贵金属端头

32…基端

33…前端部

40…端子配件

50…主体配件

51…工具卡合部

52…安装螺纹部

53…敛紧部

54…密封部

56…配件内台阶部

57…端面

58…压缩变形部

63…陶瓷电阻

64…密封体

65…垫圈

66、67…环构件

68…垫片

69…滑石

80…火花塞罩

81…贯通孔

82…螺纹部

84…罩密封部

86…螺纹槽

88…垫圈

100…火花塞

A…体积

B…平均面积

CA…轴线

G…中心

P…点

R…副室

S…球

S1…假想球

r…半径

具体实施方式

A.第1实施方式：

图1是示出火花塞100的局部剖面的说明图。在图1中，以火花塞100的轴心即轴线CA为交界，在纸面右侧图示了火花塞100的外观形状，在纸面左侧图示了火花塞100的剖面形状。在本实施方式的说明中，将图1的下方侧称作火花塞100的前端侧，将图1的上方侧称作火花塞100的后端侧。

火花塞100具备具有沿着轴线CA的轴孔12的绝缘体10、设置于轴孔12的中心电极20、配置于绝缘体10的外周的筒状的主体配件50、基端32固定于主体配件50的接地电极30及覆盖中心电极20和接地电极30的火花塞罩80。在此，火花塞100的轴线CA与中心电极20的轴线相同。

绝缘体10是通过将以氧化铝为首的陶瓷材料烧成而形成的绝缘子。绝缘体10是配置于主体配件50的内周的构件，是在中心形成有在前端侧收容中心电极20的一部分且在后端侧收容端子配件40的一部分的轴孔12的筒状的构件。在绝缘体10的轴向中央形成有外径大的中央主干部19。在中央主干部19的后端侧形成有外径比中央主干部19小的后端侧主干部18。在中央主干部19的前端侧形成有外径比后端侧主干部18小的前端侧主干部17。在前端侧主干部17的更前端侧形成有越朝向中心电极20侧则外径越小的长腿部13。

主体配件50是将绝缘体10的从后端侧主干部18的一部分到长腿部13的部位包围并保持的筒状的配件。主体配件50例如由低碳钢形成，对整体实施有镀镍、镀锌等电镀处理。主体配件50从后端侧起依次具备工具卡合部51、密封部54及安装螺纹部52。在工具卡合部51嵌合用于将火花塞100向发动机盖安装的工具。安装螺纹部52是在主体配件50的外周处整周形成有阳螺纹的部分，是向火花塞罩80的螺纹槽86拧入的部分。密封部54是在安装螺纹部52的根部呈凸缘状地形成的部分。在密封部54与火花塞罩80的罩密封部84之间嵌插有通过将板体折弯而形成的环状的垫圈65。主体配件50的前端侧的端面57是中空的圆状，从其中央突出有绝缘体10的长腿部13的前端和中心电极20的前端。

在主体配件50的比工具卡合部51靠后端侧处设置有厚度薄的敛紧部53。另外，在密封部54与工具卡合部51之间与敛紧部53同样地设置有厚度薄的压缩变形部58。在从工具卡合部51到敛紧部53的主体配件50的内周面与绝缘体10的后端侧主干部18的外周面之间夹设有圆环状的环构件66、67，而且在这些环构件66、67之间填充有滑石69的粉末。在火花塞100的制造时，通过将敛紧部53以向内侧折弯的方式向前端侧按压，压缩变形部58压缩变形。通过该压缩变形部58的压缩变形，经由环构件66、67及滑石69，绝缘体10在主体配件50内被朝向前端侧按压。并且，通过该按压，滑石69在轴线CA方向上被压缩，从而主体配件50内的气密性被提高。

在主体配件50形成有向内周伸出的配件内台阶部56。另外，在绝缘体10形成有位于长腿部13的后端且向外周伸出的绝缘体台阶部15。在主体配件50的内周，配件内台阶部56经由环状的垫片68而与绝缘体台阶部15接触。该垫片68是保持主体配件50与绝缘体10之间的气密性的构件，防止燃料气体的流出。在本实施方式中，作为垫片，使用板垫片。

中心电极20是在电极构件21的内部埋设有热传导性比电极构件21优异的芯材22的棒状的构件。电极构件21由以镍为主成分的镍合金形成，芯材22由铜或以铜为主成分的合金形成。在中心电极20的前端侧的端部例如也可以接合有由铱合金等形成的贵金属端头。

在中心电极20的后端侧的端部附近形成有向外周侧伸出的凸缘部23。凸缘部23从后端侧与在绝缘体10的轴孔12中向内周侧伸出的轴孔内台阶部14接触，将中心电极20在绝缘体10内定位。中心电极20在中心电极20的后端侧经由密封体64及陶瓷电阻63而与端子配件40电连接。

接地电极30由以镍为主成分的合金形成。接地电极30的基端32固定于主体配件50的端面57。接地电极30从基端32朝向前端侧而沿着轴线CA延伸，其中间部分以使前端部33的一侧面与中心电极20的前端面对向的方式弯折。在接地电极30的前端部33的朝向中心电极20侧的面设置有贵金属端头31。在接地电极30的贵金属端头31与中心电极20之间形成有火花放电用的间隙。以下，将该间隙也称作“火花间隙”。贵金属端头31例如由铂、铱、钌、铑或它们的合金形成。

火花塞罩80是将中心电极20和接地电极30从前端侧覆盖而形成副室R的构件。本实施方式的火花塞罩80由不锈钢形成。副室R覆盖着火花间隙。在本实施方式中，副室R是由绝缘体10、中心电极20、主体配件50、垫片68及火花塞罩80包围的空间。在火花塞罩80的内壁切削有与主体配件50的安装螺纹部52螺合的螺纹槽86，通过将主体配件50向火花塞罩80拧入，火花塞罩80安装于主体配件50。

火花塞罩80具备螺纹部82和罩密封部84。螺纹部82是在火花塞罩80的外周处整周形成有阳螺纹的部分，是向发动机盖的螺纹槽拧入的部分。罩密封部84是在螺纹部82的根部呈凸缘状地形成的部分。在罩密封部84的前端侧嵌插有通过将板体折弯而形成的环状的垫圈88。火花塞罩80的厚度没有特别的限定，但例如能够例示1.5mm～3mm左右。

在火花塞罩80设置有将自身的内部与外部连通的多个贯通孔81。通过设置贯通孔81，能够使存在于发动机的燃烧室的燃料气体向副室R流入，并且使在副室R内产生的火焰向火花塞罩80的外部喷射。

在本实施方式的火花塞100中，在火花间隙中进行火花放电后，首先，在副室R内产生火焰。之后，通过火焰而副室R内的压力升高，通过该压力，火焰通过贯通孔81而向火花塞罩80的外部喷出。然后，通过以喷出后的火焰为着火源而使燃烧室内的燃料气体燃烧，在燃烧室内引起爆炸性的燃烧。

图2是从前端侧观察火花塞罩80时的示意图。在本实施方式中，4个贯通孔81以轴线CA为中心而等间隔地设置。需要说明的是，贯通孔81的个数不限于此，也可以是3个以下，还可以是5个以上。从燃料经济性提高的观点来看，贯通孔81的数量优选是2个以上且8个以下，更优选是3个以上且6个以下。

图3是将副室R放大的图。在此，假想以如下点为中心G的球S，即在中心电极20的轴线CA上将中心电极20与接地电极30的最短距离连结的线段的中点。球S是与贯通孔81的内侧开口端中的最接近中心G的点P相接的球。也就是说，球S的半径r成为从中心G到点P为止的线段。在火花塞100具备多个贯通孔81的情况下，将多个贯通孔81的内侧开口端中的最接近中心G的点设为点P。

在本实施方式中，特征在于，在将副室R中的存在于球S中的区域的体积设为Amm³，将多个贯通孔81的内侧开口端的平均面积设为Bmm²的情况下，满足80<A/B<5000的关系。

一般来说，在从贯通孔81喷出的火焰的喷出速度过快的情况下，容易因热损失而发生失火。另一方面，在从贯通孔81喷出的火焰的喷出速度过慢的情况下，燃烧室内的燃料气体的燃烧速度变慢，具有燃料经济性恶化的倾向。在此，喷出速度大幅受到点火时的副室R内的压力的影响，并且大幅受到贯通孔81的内侧开口端的面积的影响。并且，副室R内的压力大幅受到副室内的体积和副室内的热量的影响。

根据本实施方式的火花塞100，通过将副室R内的体积、贯通孔81的面积及副室R内的热量设为最佳的条件，能够使燃料经济性提高并抑制失火。

也就是说，在本实施方式的火花塞100中，通过使A/B比80大，能够抑制火焰的喷出速度的下降。作为其结果，火焰向燃烧室内遍及，抑制燃料气体的燃烧速度的下降，燃料经济性提高。从燃料经济性提高的观点来看，A/B优选比100大，进一步优选比150大。

另外，在本实施方式的火花塞100中，通过使A/B小于5000，能够抑制因由贯通孔81变小引起的向火花塞罩80的侧壁的热发散而产生的失火的发生。从抑制失火的观点来看，A/B更优选设为小于4000，进一步优选设为小于1500。

体积A没有特别的限定，但从将火焰的喷出速度设为优选的范围的观点来看，优选是200mm³以上且1500mm³以下，更优选是300mm³以上且1000mm³以下。

平均面积B没有特别的限定，但从抑制火焰的喷出速度的下降并抑制失火的观点来看，优选是0.20mm²以上且5.00mm²以下，更优选是0.30mm²以上且3.00mm²以下。

在此，副室R的体积意味着由绝缘体10、中心电极20、主体配件50、垫片68及火花塞罩80包围的空间的体积。在副室R的体积中不包括贯通孔81的体积。副室R的体积能够根据副室R的3D图像来算出，该3D图像通过使用X线CT扫描仪在将最大管电压设为200kV且将最大管电流设为120μA的条件下对副室R内进行扫描而得到。另外，根据该3D图像算出球S的半径r，由此，能够算出球S的体积。同样，根据该3D图像，能够算出多个贯通孔81的内侧开口端的平均面积。需要说明的是，贯通孔81的内侧开口端的面积作为平面而非曲面来算出。

在本实施方式的火花塞100中，副室R的体积是450mm³，球S的体积是1276mm³，副室R中的存在于球S中的区域的体积A是415mm³，多个贯通孔81的内侧开口端的平均面积B是0.79mm²。因而，在本实施方式的火花塞100中，A/B是525。

在本实施方式中的火花塞100中，在球S中存在配件内台阶部56。根据该方式的火花塞100，比中心G靠后端侧的副室R的体积变小，因此点火时的副室R内的压力更高，因此燃烧速度提高。需要说明的是，在球S中也可以不存在配件内台阶部56。

另外，在本实施方式中的火花塞100中，在球S中存在垫片68。根据该方式的火花塞100，比中心G靠后端侧的副室R的体积变小，因此能够使在点火时产生的压力向贯通孔81高效地传播。需要说明的是，在球S中也可以不存在垫片68。

另外，在本实施方式中的火花塞100中，多个贯通孔81的内侧开口端各自中的最接近中心G的点均存在于使球S的半径r成为了1.1倍的假想球S1中。一般来说，火焰从着火点呈大致同心圆状地传播，根据该方式的火花塞100，在点火时产生的火焰向各贯通孔81大致均等地传播。其结果，能够使从贯通孔81喷出的火焰的长度大致均等，因此能够抑制燃烧室内中的燃料气体的燃烧区域偏倚。需要说明的是，多个贯通孔81的内侧开口端各自中的最接近中心G的点也可以不包含于假想球S1。

另外，在本实施方式中的火花塞100中，火花塞罩80的侧壁的一部分存在于球S中。根据该方式的火花塞100，在点火时产生的压力在向贯通孔81传播的时件点下也到达存在于球S中的侧壁，因此副室R内的压力升高。作为其结果，能够加长从贯通孔81喷出的火焰的长度，因此能够加快燃烧室内的燃料气体的燃烧速度，燃料经济性提高。

另外，在本实施方式中的火花塞100中，多个贯通孔81的内侧开口端的面积均为相对于平均面积B±5％以内的值。通过这样，每个贯通孔81的火焰的喷出速度均一，因此能够提高燃烧的稳定性。从使燃烧的稳定性提高的观点来看，多个贯通孔81的内侧开口端的面积优选均为相对于平均面积B±3％以内的值。需要说明的是，贯通孔81的内侧开口端的面积也可以不为相对于平均面积B±5％以内。

图4是示出证明使燃料经济性提高并抑制失火这一效果的实验结果的图。在该实验中，如图4所示，制作了使体积A和平均面积B针对每个样本不同的火花塞的样本。在该实验中，为了使理解容易，将内侧开口端的形状设为圆，关于其直径也一并记载于图4，但内侧开口端的形状不限于圆。

在该实验中，进行了燃烧速度和失火率的评价。具体而言，在直列四缸且排气量为1.6L的直喷涡轮发动机安装样本，在将NMEP(Net Mean Effective Pressure：净平均有效压力)设为1000kPa且将转速设为2000rpm的条件下测定了燃烧速度和失火率。

使用与市售品的火花塞相比燃烧速度(根据MFB(Mass Fraction Burn：质量分数燃烧)从10质量％到达90质量％为止的时间而算出)缩短的比例，将燃烧速度以分数进行了评价。具体而言，如以下这样进行了评价。分数越大则表示燃烧速度越快，并且表示燃料经济性越好。

20％以上：5分

10％以上且小于20％：3分

5％以上且小于10％：1分

小于5％：0分

作为失火率，使用运转了1000循环时的失火率，将失火率以分数进行了评价。具体而言，如以下这样进行了评价。分数越大则表示失火率越少。

失火率小于1％：5分

失火率为1％以上且小于3％：3分

失火率为3％以上且小于7％：1分

失火率为7％以上：0分

另外，作为综合评价，算出了与燃烧速度相关的上述分数和与失火率相关的上述分数之和。

从图4所示的实验结果可知以下的内容。也就是说，通过比较样本19与其以外的样本的实验结果可知，在A/B比80大的情况下燃烧速度变快。另外，从本次的实验结果可知，具有A/B越大则燃烧速度越快的倾向。另一方面，通过比较样本30与其以外的样本的实验结果可知，在A/B小于5000的情况下失火率降低。另外，从本次的实验结果可知，具有A/B越小则失火率越降低的倾向。需要说明的是，关于样本30，由于失火率过高而燃烧速度的数据不稳定，所以将燃烧速度的项目设为了“-”。

B.其他实施方式：

本发明不限于上述的实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内以各种结构实现。例如，与发明内容一栏所记载的各方式中的技术特征对应的实施方式中的技术特征能够为了解决上述的课题的一部分或全部或者为了达成上述的效果的一部分或全部而适当进行替换、组合。另外，只要该技术特征在本说明书中没有作为必要技术特征而说明，就能够适当删除。

在上述的实施方式中，主体配件50与火花塞罩80分体，但不限于此，也可以设为一体。另外，接地电极30设置于主体配件50，但不限于此，例如也可以设置于火花塞罩80。

Claims

1.一种火花塞，具备：

中心电极；

接地电极，在所述接地电极与所述中心电极之间形成有火花放电用的间隙；

火花塞罩，将所述中心电极和所述接地电极从前端侧覆盖而形成副室，

在所述火花塞罩设置有多个贯通孔，

所述火花塞的特征在于，

在假想了以在所述中心电极的轴线上将所述中心电极与所述接地电极的最短距离连结的线段的中点为中心且与所述多个贯通孔的内侧开口端中的最接近所述中心的点相接的球的情况下，

在将所述副室中的存在于所述球中的区域的体积设为Amm³，将所述多个贯通孔的内侧开口端的平均面积设为Bmm²的情况下，

满足80<A/B<5000的关系。

2.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，

所述多个贯通孔的内侧开口端的面积均为相对于所述平均面积±5％以内的值。

3.根据权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，

满足100<A/B<4000的关系。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的火花塞，其特征在于，

满足150<A/B<1500的关系。