CN112701565B - 一种火花塞 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火花塞，包括绝缘体和中心电极，所述绝缘体具有沿着其轴线延伸的轴孔，所述轴孔具有小孔，所述小孔为最前端的孔，中心电极包括杆部和比杆部直径小的缩径部以及贵金属端头，所述杆部被设置在所述小孔内，贵金属端头通过焊接的方式固定在中心电极的前端缩径部上，在中心电极前端处设置轴向区间B；将处在轴向区间B内的中心电极的体积设为Va，将处在轴向区间B内的绝缘体的体积设为Vb，则1.85≤Va/Vb≤5.35；将绝缘体最前端的外直径设为A，将中心电极杆部的杆径设为C，满足0.6mm≤1/2(A‑C)≤1mm。本发明中的火花塞既具有优秀的耐久、耐电压性能，又具有优秀的耐碳污损性能。

Description

一种火花塞

技术领域

本发明涉及一种火花塞，尤其涉及一种组装在内燃机中用于对空气燃料混合物进行点火的火花塞。

背景技术

在点燃式内燃机领域，火花塞内置在发动机燃烧室，通过火花塞的中心电极和侧电极间的间隙放电点燃混合气体推动活塞做功，实现动力的传输。火花塞通常由具有轴孔的绝缘体；棒状的接线螺杆，其插通在绝缘体的轴孔内，接线螺杆具有在绝缘体后端漏出的端子部和插于绝缘体轴孔内的棒状部；中心电极，配置在绝缘体的靠前端的轴孔；壳体，环抱住绝缘体，并通过铆边口与绝缘体保持一体的状态；侧电极，被配置在壳体的前端并与中心电极形成点火间隙。

近年来随着发动机的小型化和高输出化，出现了涡轮增压和缸内直喷等发动机的先进技术，但是同时火花塞也出现了烧损和积碳的问题。比如车辆在低温启动和低速行驶时，由于发动机进气温度偏低，且喷油量偏高，容易生成碳层附着在火花塞的点火端，尤其是绝缘体表面，由此容易带来火花塞接线螺杆与金属壳体的绝缘性下降的可能。另外，在中心电极上配置有贵金属端头的火花塞，在发动机内部承受冷热冲击或持续的高温，容易造成耐久性降低的问题。

经过检索，未找到与本申请的技术方案相关或相似的专利文献：

综上，如何设计一种火花塞，使得其既具有优秀的耐久、耐电压性能，又具有优秀的耐碳污损性能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，提供一种火花塞，其既具有优秀的耐久、耐电压性能，又具有优秀的耐碳污损性能。

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，包括绝缘体和中心电极，所述绝缘体具有沿着其轴线延伸的轴孔，所述轴孔具有小孔，所述小孔为最前端的孔，中心电极包括杆部和比杆部直径小的缩径部以及贵金属端头，所述杆部被设置在所述小孔内，贵金属端头通过焊接的方式固定在中心电极的前端缩径部上，在中心电极前端处设置轴向区间B；将处在轴向区间B内的中心电极的体积设为Va，将处在轴向区间B内的绝缘体的体积设为Vb，则1.85≤Va/Vb≤5.35；将绝缘体最前端的外直径设为A，将中心电极杆部的杆径设为C，满足0.6mm≤1/2(A-C)≤1mm。

优选的，将Va和Vb的比值范围限定为：1.85≤Va/Vb≤4。

优选的，所述轴向区间B的起点水平线为B1，该轴向区间B的终点水平线为B2；所述中心电极的缩径部从后端往前端包括第一缩径锥部和第一缩径杆部；以第一缩径杆部的后端端面所处的水平线方向为起点水平线B1的位置，以绝缘体的前端端面所处的水平线方向为终点水平线B2的位置。

优选的，将轴向区间B的轴向高度设为H，则0.3 mm≤H≤1 mm。

优选的，在中心电极的第一缩径杆部上还设置有第二缩径杆部；设第一缩径杆部的直径为C1，设第二缩径杆部的直径为C2，则0.05mm≤1/2(C1-C2)≤0.1mm。

优选的，所述中心电极具有比外层部散热能力更好的芯部且芯部的顶端形状是半球状。

优选的，所述芯部的最前端与贵金属端头的最前端之间的轴向距离L为2mm以下。

优选的，所述芯部的最前端与贵金属端头的最前端之间的轴向距离L为1.5mm以下。

本发明的有益效果在于：通过设计处在轴向区间B内的中心电极的体积Va和处在轴向区间B内的绝缘体的体积Vb之间比值、绝缘体最前端的外直径A与中心电极杆部的杆径C之间的关联关系以及设计轴向区间B的具体位置以及长度等数值，使得本发明中的火花塞既具有优秀的耐久、耐电压性能，又具有优秀的耐碳污损性能。通过对中心电极的芯部顶端形状的设计以及芯部顶端与贵金属端头的最前端之间的轴向距离L的数值设计，使得火花塞具有足够短的散热距离，因此，火花塞表现出具有更好的耐久性。将中心电极的缩径部进行多次缩径，进一步增加缩径部与绝缘体之间的距离，从而进一步增加了火花塞的抗积碳能力。

附图说明

图1为本发明实施例1中火花塞的轴向剖视结构示意图；

图2为图1中位于中心电极最前端处的局部结构示意图；

图3为图1中位于中心电极和绝缘体最前端处的局部结构示意图；

图4为关于车辆低温重复冷启动的试验方法中A循环的试验条件图；

图5为关于车辆低温重复冷启动的试验方法中B循环的试验条件图；

图6为本发明实施例1的火花塞的中心电极最前端处的局部轴向剖视结构示意图；

图7为本发明实施例2的火花塞中，位于中心电极最前端处的局部结构示意图；

图中：1. 接线螺杆，2. 绝缘体，3. 上钢丝圈，4. 填充物，5. 下钢丝圈，6. 金属壳体，7. 密封体，7A. 电阻体,7B. 上导电料,7C. 下导电料，8. 内密封垫圈，9. 中心电极，911. 杆部，912. 缩径部，9121. 第一缩径锥部，9122. 第一缩径杆部，9133. 第二缩径杆部，913. 外层部，914. 芯部，10. 侧电极，11. 侧电极贵金属，12. 贵金属端头，13. 外密封垫圈。

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，包括接线螺杆 1、绝缘体2、上钢丝圈3、填充物4、下钢丝圈5、金属壳体6、密封体7、内密封垫圈8、中心电极9、侧电极10、侧电极贵金属11、贵金属端头12和外密封垫圈13，AL1为火花塞的中心轴线；所述绝缘体2具有沿着其轴线AL1延伸的轴孔，所述轴孔具有小孔，所述小孔为最前端的孔，中心电极9具有杆部和比杆部直径小的缩径部以及贵金属端头12，其杆部被设置在所述小孔内，所并在其前端形成缩径部，贵金属端头12通过焊接的方式固定在中心电极9的前端缩径部上。

绝缘体2是一种陶瓷材料，陶瓷是一种在高温条件下具有优秀的绝缘性的材料，其原始材料是氧化铝粉末，通过制成浆料，搅拌均匀后，通过离心造粒或喷雾造粒干燥后形成均匀、细小的粒子，然后通过合适的模具在高压状态下，形成所需要的形状，轴孔是通过一种棒状的压胚芯在压制过程中形成的，为使绝缘体具有更加优秀的耐电性能，至少采用40Mpa以上的压力对粉粒进行压制，形成圆柱状的毛坯，毛坯以旋转的方式再进行磨削，加工成满足设计的尺寸。再装在匣钵里面在1500℃以上高温上烧结，最终形成绝缘体。特别需要提出的是绝缘体最前端相对中心电极靠外侧的部分的倒角优选在0.5mm-0.8mm之间，这样能够最大限度的满足绝缘的机械性能和抗电性能。绝缘体的轴孔一般成阶梯状，最前端一侧的孔为小孔，靠后端一侧的孔为大孔，用来布置接线螺杆1和中心电极9，以及密封体7。

接下来再说明接线螺杆1，接线螺杆配置在绝缘体的绝缘体的轴孔内，具有头部和棒状部，头部从绝缘体后端漏出，用于与点火线圈电连接，棒状部保持在绝缘体内部，用于向中心电极传递高压电。其材料通常为一种低碳钢，为满足抗腐蚀要求，表面通常进行防腐处理，如电镀镍等。

接下来再说明密封体7，密封体7通常由电阻体7A，上导电料7B、下导电料7C构成，其中电阻体7A为了抑制电磁噪音通常具备1KΩ至20KΩ的电阻，优选的是1KΩ至9KΩ。导电料7B、7C的作用是起绝对的密封作用，防止发动机燃烧室内的高温气体沿着火花塞中心电极泄漏。

如图2所示，接下来再重点说明中心电极9，中心电极9配置在绝缘体2内，其杆部911配置在绝缘体2的小孔内。中心电极9具备缩径部912，缩径部912可以通过各种方式进行实现，缩径部912可以是一级缩径部，也可以是多级缩径部，其结果是缩径部圆柱状部分的直径小于中心电极杆部911的杆径C。中心电极基体的材料为镍合金，为了提升中心电极的寿命，优选的是一种镍锰铜钛合金（TN1），因为这种材料里面加入了铜的成分，表现的结果是这种火花塞具有更加优秀的耐久性能，近年来随着发动机燃烧室内的工况恶化，通常在中心电极头部焊接有贵金属端头，以保证火花塞的寿命，贵金属材料通肠胃铱合金或者铂合金。

如图1所示，接下来在对上钢丝圈3和下钢丝圈5，以及填充物4这一部分做出说明，填充物4为一种致密的粉料，材料通常为滑石粉，通过上钢丝圈3和下钢丝圈5以及金属壳体和绝缘体进行保持，具有密封的作用，并且具备这种结构的火花塞在铆装过程中可以减小对绝缘体施加的应力，可以提高火花塞的强度。

金属壳体6至少具有用于工具卡合的六方或者双六角，以及用于安装的螺纹，绝缘体保持在其内部，通过铆装的方式两者构成一体形成火花塞的大体结构。材料通常为低碳钢，并且在其外部进行了防腐处理，通常的方式为镀锌或者镀镍。

侧电极10通过焊接的方式固定在金属壳体6的前端，并与中心电极形成放电间隙，为了提高火花塞的寿命，也优选在侧电极上焊接侧电极贵金属11。

外密封垫圈13的作用是用来密封，防止高温气体从金属壳体的螺纹部窜出，在火花塞的安装过程中，通过施加一定的扭矩使外密封垫圈变形后与发动机的密封面紧密贴合。其材料可以是一种低碳钢或者铜和铝。

为了提供保证火花塞的优秀的耐久、耐电压性能和优秀的耐碳污损性能，本实施例采用的解决方案是：为了便于表达，沿火花塞轴向，将位于接线螺杆端一侧设为火花塞的后端，将位于贵金属端头12一侧设为火花塞的前端。如图3所示，在中心电极前端处设置轴向区间B，沿轴向，该轴向区间B的起点水平线为B1，该轴向区间B的终点水平线为B2；中心电极的缩径部从后端往前端包括第一缩径锥部9121和第一缩径杆部9122，其中与中心电极的杆部相连的是第一缩径锥部9121，与第一缩径锥部9121相连的是第一缩径杆部9122，贵金属端头12焊接在第一缩径杆部9122上；以第一缩径锥部9121和第一缩径杆部9122相连接处的水平线方向为起点水平线B1的位置（即为第一缩径杆部9122的后端端面所处的水平线方向），以绝缘体2的前端端面所处的水平线方向为终点水平线B2的位置；将处在轴向区间B内的中心电极的体积设为Va，将处在轴向区间B内的绝缘体的体积设为Vb，则1.85≤Va/Vb≤5.35。

接下来通过多个试验证明该方案的优越性：

首先准备所需要的的样件，通过尺寸不同的压力保持样板获得不同尺寸A的绝缘体和通过冷镦的方式获得具有不同规格的缩径部的中心电极，以及完成后续装配过程，获得下表中不同规格的火花塞样件。接下来验证样件的抗积碳性能，试验过程参照JISD1606（日本标准）中描述的关于车辆低温重复冷启动的试验方法，具体方法是在-10℃的条件下以下图的方式运行车辆，完成如图4所示的A循环后测量一次接线螺杆与金属壳体间的绝缘电阻，完成如图5所示的B循环再测量一次接线螺杆与金属壳体将的绝缘电阻，通过A+B绝缘电阻大于10MΩ，判定为完成一次循环，当绝缘电阻低于10MΩ或者车辆3次启动失败后停止试验，完成的循环次数越多说明火花塞的抗积碳性能越好，将完成15次循环以上的评价为优秀，记为◎，将完成10-15次循环的评价为合格，记为○，将完成次数低于10次循环的评价为不合格，记为∆。

测试车辆搭载了一台1.5L的发动机，发动机进气模式为涡轮增压，喷油方式为缸内直喷，车身重量为1.8吨，所有的试验均在低温转鼓试验室完成。得出的试验数据如下表，下表中A为绝缘体最前端的外直径，C为中心电极杆部的杆径（如图6所示），H为轴向区间B的轴向高度（如图7所示）：

从上表数据可以看出，当将Va/Vb之间的比值限定在1.85至5.35之间可以使火花塞具备优秀的抗积碳性能，优选的是将Va/Vb限定在1.85至4之间。另外，对于1/2(A-C)和H的限定也对于抗积碳性能有影响，从上表可以看出，将把1/2(A-C)限定在1mm以下、把H限定在0.3mm至1mm之间时，使得火花塞也具备优秀的抗积碳性能。

但是当1/2(A-C)越小时，对绝缘体的耐电压要求就越高，当施加在接线螺杆上的电压越高时更容易对绝缘体造程破坏，近年来由于发动机进气模式的改变，缸内压力变得非常高，由此带来了的后果是火花塞工作电压提高了近1万伏，要求火花塞的耐电压等级至少在3万伏以上。接下来的试验是对具备不同的1/2(A-C)和Va/Vb的火花塞进行耐电压试验。首先将制作好的样件拆除侧电极，再用环氧树脂封住中心电极，等环氧树脂完全固化后再在耐电压试验台上耐电压试验，耐电压试验台从20KV的电压开始开始以逐步上升的方式调高施加在绝缘体上的电压，直到绝缘体击穿为止，将击穿电压超过40KV的样件评价为优秀，记为◎，将击穿电压在30KV在40KV之间的样件评价为合格，记为○，将击穿电压小于30KV的样件评价为不合格，记为∆，测试结果如下表：

从上表可以看出，当0.6mm≤1/2(A-C)≤1mm，绝缘体具有足够的耐电压的能力。

接下来，再验证火花塞的耐久性能，由于具有贵金属端头且贵金属端头被焊接在所述中心电极的缩颈部上面，因此更加担心贵金属端头在由于其长时间在过高的温度下工作会引发贵金属寿命的降低，因此有必要对中心电极前段的温度进行考虑。通过对Va与Vb的限定可以使中心电极的温度在合适的范围。准备各种火花塞样件，将火花塞的中心电极前端面与绝缘体前端面之间的轴向距离设为T（如图6所示），试验前利用投影的方式测量并记录各个样件中心电极相对于绝缘体前端面在轴线AL1方向上的长度T1，单位为mm，接下来在发动机台架上进行耐久试验来验证各种火花塞的耐久性。试验在一台1.4L的4缸发动机上开展，其进气模式为涡轮增压，喷油模式为缸内直喷，发动机以6000rpm全负荷运行100小时，4个缸分别装载试验用的样件。发动机运行结束后取出火花塞再次测量并记录各个样件中心电极相对于绝缘体前端面在轴线AL1方向上的长度，记为T2，单位为mm，将增长量Y（Y=T1-T2）小于0.05mm的样件评价为优秀，记为◎，将增长量Y在0.1mm以下的样件评价为合格，记为○，将增长量在0.1mm以上或其它异常情况（失火）的样件评价为不合格，记为∆，数据如下表所示：

试验时55号样件至58样件号为一组，59号样件至62号样件为一组，在发动机运行分别至20和80h的时候61号和62号火花塞出现了异常失火现象，为确保59号和60号的数据有效，更换成与58号相同的火花塞完成了后续试验。

从试验数据表明，当限定为0.6≤1/2(A-C)≤1，1.85≤Va/Vb≤5.35时可以最大限度的确保火花塞的耐久性能。

接下来说明，如图6所示，所述中心电极9具有比外层部913散热能力更好的芯部914且靠近前端的芯部的形状是半球状，内部具有更好的散热材料能够更加有利于降低中心电极的工作温度，半球状的芯部在包括轴线AL1的轴线的剖面中是一种圆弧状，圆弧状是相对于尖状做出的对应描述，当芯部的底部是一种半球状时，芯部靠近贵金属端头具有更大的接触面积，因此能够具有更好的散热能力。从上表中的数据还可以看出，当火花塞中心电极芯部的最前端与贵金属端头的最前端之间的轴向距离L为2mm时，其火花塞的耐久性都非常不错。再将56号样件和57号样件为一组对比组进行对比可知，57号火花塞比56号火花塞具有更大的Va/Vb值，另一方面57号火花塞中心电极芯部的最前端与贵金属端头的最前端之间的轴向距离L为1.5mm，试验结果显示57号火花塞具有与56号火花塞相当的耐久性（增长量Y一致）,因此，可以看出当L为1.5mm时，比起L为2mm时，火花塞更具有耐久性。

因此，可以得知当芯部的最前端与贵金属端头的最前端之间的轴向距离L为2mm以下时具有足够短的散热距离，因此火花塞表现出具有更好的耐久性，优选的L在1.5mm以下。

实施例2：与实施例1不同的是，本实施例对提高火花塞的抗积碳性能做了进一步的研究。

如图7所示，中心电极的缩径部从后端往前端包括第一缩径锥部9121、第一缩径杆部9122和第二缩径杆部9123，其中与中心电极的杆部911相连的是第一缩径锥部9121，与第一缩径锥部9121相连的是第一缩径杆部9122；与第一缩径杆部9122相连的是第二缩径杆部9123，贵金属端头12焊接在第二缩径杆部9123上。设第一缩径杆部9122的直径为C1，设第二缩径杆部9123的直径为C2，则C1和C2限定为：0.05mm≤1/2(C1-C2)≤0.1mm。通过实验证明，当C1和C2符合上述限定范围时，火花塞的抗积碳能力进一步增强了。本实施例是将中心电极的缩径部进行多次缩径，进一步增加缩径部与绝缘体之间的距离，从而进一步增加了火花塞的抗积碳能力。

综上，通过设计处在轴向区间B内的中心电极的体积Va和处在轴向区间B内的绝缘体的体积Vb之间比值、绝缘体最前端的外直径A与中心电极杆部的杆径C之间的关联关系以及设计轴向区间B的具体位置以及长度等数值，使得本发明中的火花塞既具有优秀的耐久、耐电压性能，又具有优秀的耐碳污损性能。通过对中心电极的芯部顶端形状的设计以及芯部顶端与贵金属端头的最前端之间的轴向距离L的数值设计，使得火花塞具有足够短的散热距离，因此，火花塞表现出具有更好的耐久性。将中心电极的缩径部进行多次缩径，进一步增加缩径部与绝缘体之间的距离，从而进一步增加了火花塞的抗积碳能力。

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 (7)

1.一种火花塞，包括绝缘体和中心电极，所述绝缘体具有沿着其轴线延伸的轴孔，所述轴孔具有小孔，所述小孔为最前端的孔，中心电极包括杆部和比杆部直径小的缩径部以及贵金属端头，所述杆部被设置在所述小孔内，贵金属端头通过焊接的方式固定在中心电极的前端缩径部上，其特征在于：在中心电极前端处设置轴向区间B；将处在轴向区间B内的中心电极的体积设为Va，将处在轴向区间B内的绝缘体的体积设为Vb，则1.85≤Va/Vb≤5.35；

将绝缘体最前端的外直径设为A，将中心电极杆部的杆径设为C，满足0.6mm≤1/2(A-C)≤1mm；

所述轴向区间B的起点水平线为B1，该轴向区间B的终点水平线为B2；所述中心电极的缩径部从后端往前端包括第一缩径锥部和第一缩径杆部；以第一缩径杆部的后端端面所处的水平线方向为起点水平线B1的位置，以绝缘体的前端端面所处的水平线方向为终点水平线B2的位置。

2.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于：将Va和Vb的比值范围限定为：1.85≤Va/Vb≤4。

3.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于：将轴向区间B的轴向高度设为H，则0.3mm≤H≤1 mm。

4.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于：在中心电极的第一缩径杆部上还设置有第二缩径杆部；设第一缩径杆部的直径为C1，设第二缩径杆部的直径为C2，则0.05mm≤1/2(C1-C2)≤0.1mm。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的火花塞，其特征在于：所述中心电极具有比外层部散热能力更好的芯部且芯部的顶端形状是半球状。

6.根据权利要求5所述的火花塞，其特征在于：所述芯部的最前端与贵金属端头的最前端之间的轴向距离L为2mm以下。

7.根据权利要求6所述的火花塞，其特征在于：所述芯部的最前端与贵金属端头的最前端之间的轴向距离L为1.5mm以下。

Images