CN114287091B - 火花塞接地电极配置 - Google Patents

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Abstract

一种火花塞(10)具有壳体(16)，所述壳体具有接地电极凹槽(52)。将具有插入端(26)、点火端(28)和朝向插入端的圆形横截面轮廓的接地电极(18)插入壳体的接地电极凹槽中。附接部分(74)包围接地电极的至少一部分，并包括在接地电极与壳体之间的连接界面处的固化的粘合材料(70)。在一些实施中，接地电极可以具有铜芯(38)，其进一步延伸到壳体中，穿过绝缘体(14)的远端(22)。在一些实施例中，接地电极具有包围铜芯的护套(40)，所述护套具有铝和高重量百分比的镍。

Description

火花塞接地电极配置
技术领域
本公开总体上涉及用于内燃机的火花塞和其他点火装置，特别是涉及用于火花塞的接地电极配置。
背景技术
火花塞接地电极主要负责在燃烧室内建立点火的地平面。因此，接地电极必须能够承受超过900℃的温度、燃烧副产物的腐蚀性环境以及燃烧事件本身的机械冲击。火花塞的使用寿命通常由中心和/或接地电极上的贵金属尖端的侵蚀速率确定。贵金属侵蚀速率在很大程度上受操作时的金属温度的影响。因而，降低接地电极的操作温度可以提高火花塞寿命。
发明内容
根据一个实施例，提供一种火花塞，其包括：壳体，所述壳体具有轴向孔和接地电极凹槽，接地电极凹槽具有邻接表面和侧壁；绝缘体，所述绝缘体具有轴向孔，并且至少部分地设置在壳体的轴向孔内；中心电极，所述中心电极至少部分地设置在绝缘体的轴向孔内；以及接地电极，所述接地电极具有插入端、朝向插入端定位的主根部分、点火端和朝向点火端定位的点火端部分，其中，与点火端部分相比，主根部分在尺寸上扩大，并且接地电极的插入端插入接地电极凹槽中，使得附接部分包围接地电极的至少一部分。
根据各种实施例，火花塞可以单独或以任何技术上可行的组合具有任何一个或多个以下特征：
-附接部分包括固化的粘合材料，固化的粘合材料位于至少部分地在接地电极与壳体之间的连接界面处，并且固化的粘合材料包括来自接地电极和壳体二者的材料的混合物；
-固化的粘合材料是完全包围接地电极的激光焊接件；
-附接部分包括固化的粘合材料，固化的粘合材料位于至少部分地在接地电极与壳体之间的连接界面处，并且固化的粘合材料包括固化的钎焊粉末；
-接地电极包括主根部分、弯曲部分、锥形部分和点火端部分；
-主根部分包括重叠区域，其中，在重叠区域处，接地电极的一部分朝向火花塞的端子端延伸，超出绝缘体的远端；
-点火端部分包括平的砧型尖端；
-点火端部分包括平的勺型尖端；
-锥形部分包括在直径上减小的铜芯；
-铜芯从锥形部分延伸到主根部分；
-接地电极凹槽的侧壁是弯曲的，并且在邻接表面与壳体的远端之间轴向笔直延伸；
-接地电极凹槽的侧壁在邻接表面与壳体的远端之间是锥形的；
-接地电极具有镍基材料的护套和铜基材料的铜芯；
-镍基材料包括75-98wt％的镍和铝；
-接地电极凹槽的开口的直径是在壳体的远端处的壳体的厚度的85-95％；和/或
-在插入端处的接地电极的直径是在壳体的远端处的壳体的厚度的70-90％。
根据另一个实施例，提供一种火花塞，其包括：壳体，所述壳体具有轴向孔和接地电极凹槽，接地电极凹槽具有圆形横截面轮廓，接地电极凹槽具有邻接表面和侧壁；绝缘体，所述绝缘体具有远端、端子端以及在端子端与远端之间延伸的轴向孔，绝缘体至少部分地设置在壳体的轴向孔内；中心电极，所述中心电极至少部分地设置在绝缘体的轴向孔内；以及接地电极，所述接地电极具有插入端和点火端，其中，具有圆形横截面轮廓的主根部分位于插入端处，并且点火端部分位于点火端处，其中，具有圆形横截面轮廓的主根部分插入具有圆形横截面轮廓的接地电极凹槽中，使得主根部分包括重叠区域，在所述重叠区域处，主根部分的一部分朝向火花塞的端子端延伸，超出绝缘体的远端。
根据另一个实施例，提供一种火花塞，其包括：壳体，所述壳体具有轴向孔和接地电极凹槽，所述接地电极凹槽具有平的邻接表面和侧壁；绝缘体，所述绝缘体具有远端、端子端和在端子端与远端之间延伸的轴向孔，所述绝缘体至少部分地设置在壳体的轴向孔内；中心电极，所述中心电极至少部分地设置在绝缘体的轴向孔内；以及接地电极，所述接地电极具有插入端、点火端、护套和铜芯，接地电极的插入端是平的，并且插入接地电极凹槽中，护套包括镍基材料，并且铜芯包括铜基材料，其中，镍基材料包括75-98wt％的镍。
根据各种实施例，火花塞可以具有：包括铝的镍基材料；和/或包括90-95wt％的镍和1-3wt％的铝的镍基材料。
附图说明
下文将参考附图描述优选实施例，其中，相同的符号标记表示相同的元件，并且其中：
图1是火花塞和接地电极配置的部分横截面图；
图2是去除接地电极的火花塞的横截面图；
图3是图2的火花塞壳体的端视图；以及
图4是根据另一个实施例的接地电极配置。
具体实施方式
本文描述的火花塞和电极配置可以降低接地电极操作温度，这可以提高火花塞的使用寿命。接地电极配置包括圆形轮廓，特别地，所述圆形轮廓附接在壳体中，以改进热传递，并将铜芯进一步延伸到螺纹区域中。这可以通过以下方式来降低接地电极点火端的操作温度：最小化暴露在燃烧环境中的表面积，最大化通过铜芯的传导性热传递路径的横截面积，并且增强热量直接向壳体的螺纹区域(然后其可以在此排出到发动机的气缸盖)的传输。此外，使用本文描述的特定材料组合可以有助于进一步促进远离接地电极的点火端的散热。例如，具有高重量百分比镍和铝的特定合金可以有助于促进与壳体的附接，以及热向上传递到壳体中。
参见图1，示出了示例火花塞10，该火花塞包括中心电极12、绝缘体14、金属壳体16和接地电极18。中心电极或基电极构件12设置在绝缘体14的轴向孔内，并包括绝缘端和点火端，所述点火端具有附接到其上的点火尖端20，其突出超过绝缘体14的自由端或远端22。点火尖端20可以是单件式或多件式圆盘、铆钉或其他形状的尖端，其包括火花表面，并由耐侵蚀和/或耐腐蚀材料制成。绝缘体14设置在金属壳体16的轴向孔内，并且由足以将中心电极12与金属壳体16电绝缘的材料(诸如陶瓷材料)构成。如图所示，绝缘体14的自由端或远端22可以突出超过金属壳体16的自由端或远端24，或者可以缩回金属壳体16内。接地电极或基电极构件18可以根据附图中所示的常规L形或J形配置来构造，或者根据一些其他布置来构造，并且附接到金属壳体16的远端24。根据这个特定实施例，接地电极18包括插入端26和点火端28，所述点火端具有平的尖端部分30，所述尖端部分与中心电极的点火尖端20相对，并具有附接到其上的点火尖端32。点火尖端32可以是如图所示的平垫形式，或者任何其他可操作的配置，并且包括火花表面，所述火花表面与中心电极点火尖端20一起限定火花间隙G，使得它们提供用于穿过火花间隙G发射和接收电子的火花表面。
中心电极12和/或接地电极18可以包括由导热材料制成的芯(诸如下文描述的芯)，以及围绕所述芯的包层或护套。中心电极12和/或接地电极18的芯优选地被设计为有助于将热量远离电极的点火端传导向火花塞10的较冷部分。在图1所示的实施例中，中心电极12包括被完全包裹在包层或护套36内的铜芯34，并且接地电极18包括被包层或护套40包围的铜芯38。然而，应当注意，导热芯34、38和/或中心电极和/或接地电极本身，可以采用除附图中所示的各种形状、尺寸和/或配置中的任何一种。例如，在一些实施例中，中心电极12可以不包括芯。铜芯34、38的材料可以是纯铜、铜基合金或其他导热材料。接地电极18的铜芯38从插入端26朝向点火端28延伸，并充当热传递导管，以有助于将热量从点火端28拉向接地电极18的插入端26，并最终拉至壳体16和气缸盖。
护套40有利地由具有高镍重量百分比以及共添加铝的镍基合金制成。护套材料的镍重量百分比可以高于通常用于接地电极护套的典型接地电极材料，诸如INCONELTM600或INCONELTM 601。在一些实施例中，可以使用这些更标准的材料；然而，本文描述的镍基合金可以改进接地电极18与壳体16的附接，并有助于改进远离点火端28的散热。在一个实施例中，用于护套40的镍基合金包括75-98wt％的镍，具有共添加的铝(例如，大约1-10wt％，同时添加其他次要成分，诸如硅、铬、铁、锰和/或碳)。在有利的实施例中，镍基材料包括90-95wt％的镍，具有1-3wt％的铝以及其他次要成分，诸如硅、铬、铁、锰和/或碳。在又一个有利实施例中，用于护套40的镍基合金包括92.4-94.25wt％的镍、1.80-2.20wt％的铝、1.80-2.20wt％的硅、1.80-2.20wt％的铬、0.35-0.60wt％的锰、小于或等于0.30wt％的铁以及小于或等于0.10wt％的碳。这个百分比的镍以及同等比例的共添加的铝、硅和铬，可以更好地促进附接和热传递。在一个实验中，与INCONELTM 600的相同尺寸和配置的接地电极护套相比，这种特定的镍基材料导致温差提高了约60℃。优选地但不必要地，镍基材料在还原气氛中退火，以有助于改进其可焊性，并在接地电极18与壳体16的附接期间潜在地最小化裂纹。
接地电极18具有圆形横截面轮廓42。圆形横截面轮廓42包括由圆柱形护套40包围的基本圆柱形的铜芯38。圆形横截面轮廓42通过优化电极横截面面积与表面积的比率来降低接地电极尖端32的温度。使暴露于燃烧环境的表面积最小化(例如，横截面周长乘以电极长度)，使得进入接地电极18中的热通量最小化。通过圆形横截面轮廓来最大化横截面面积还可以最大化到火花塞壳体16的传导性热传递路径，并且还最大化芯38的材料的可用体积。这可以通过具有圆形或圆柱形的圆横截面轮廓42来实现。
在图1图示的实施例中，接地电极18包括主根部分44、弯曲部分46、锥形部分48和点火端部分50。主根部分44完全插入在壳体16中的接地电极凹槽52内。弯曲部分46形成J形间隙的主要J形部分。锥形部分48包括：铜芯38的一部分和护套40的一部分，与弯曲部分46和主根部分44相比，这两部分在直径上减小。点火端部分50包括用于容纳尖端32的平的尖端部分30。铜芯38在锥形部分48之间延伸，向上穿过弯曲部分46，进入主根部分44中。这个实施例中的点火端部分50通常仅由来自护套40的材料组成，而不包括来自芯38的材料。
接地电极18的主根部分44包括重叠区域54。在重叠区域54中，接地电极18的一部分56朝向端子端58延伸(端子端58如图2所示)，并延伸超过绝缘体14的远端22。许多接地电极18直接焊接到壳体16的远端24，或仅部分焊接到壳体中，而不是向上经过绝缘体14的远端22。提供具有重叠区域54的细长主根部分44有助于促进从铜芯38到缸盖的热传递。另外，具有完全凹陷在壳体16的主体内的重叠区域54，可以在壳体16与主根部分44之间提供额外的接触面积，进一步朝向火花塞10的端子端58。此外，重叠区域54的尺寸通常对应于接地电极18的插入端26与壳体16中的外部台阶60之间的距离。因此，这允许铜芯38到达壳体16的螺纹区域62，所述区域典型地更靠近壳体周围的冷却水套。这种接地电极构造方法利用了铜的改进的导热性能，从而增强了将热量直接传输到火花塞壳体16的螺纹区域62的能力，然后热量可以从此处排出到气缸盖。
主根部分44插入壳体16的接地电极凹槽52中。接地电极凹槽52包括邻接表面64以及一个或多个侧壁66。鉴于接地电极18的圆形横截面轮廓，这个实施例包括一个圆柱形侧壁66。圆形横截面轮廓允许接地电极凹槽52容易被钻孔或以其他方式加工到壳体的远端24中。侧壁66在壳体16的远端24中的开口68与邻接表面64之间延伸。邻接表面64有利地直接紧靠接地电极18的插入端26，但在一些实施例中，可以存在至少部分地位于邻接表面与插入端之间的一些固化的粘合材料。如图所示，在邻接表面64与接地电极18的插入端26之间提供直接连接界面，可以进一步促进热传递，因为这样的配置将壳体焊接焊盘72或附接部分74限制在更靠近壳体16的远端24的区域，而不延伸到重叠区域54中。与焊接到壳体的远端并且不包括重叠区域54和附接部分74的标准接地电极相比，示出了重叠区域54的长度以及附接部分74的长度(其通常限定主根部分44的长度)将温度耗散提高约45℃。
在图1图示的实施例中，接地电极凹槽52的侧壁66包括圆锥部分76，使得邻接表面64的直径小于开口68的直径。在图2和图3图示的实施例中，此处去除了接地电极以更清楚地示出接地电极凹槽52，侧壁66在邻接表面64与壳体16的远端24处的开口68之间轴向笔直延伸，使得邻接表面和开口的直径相同。从制造角度来看，圆锥部分76可以更有效，因为可以更容易地将接地电极18插入凹槽52中。然而，具有轴向笔直侧壁66的图2和图3图示的实施例在操作期间可以执行得更好，因为主根部分44与接地电极凹槽52之间的更大接触面积可以促进更有效的热传递。
附接部分74用作接地电极18与接地电极凹槽52之间的接头或接合处。图1的实施例中的附接部分74是壳体16的远端24与重叠部分54或外部台阶60之间的部分。附接部分74包括至少部分地位于接地电极18与壳体16之间的固化的粘合材料70。附接部分74有利地围绕接地电极18的整个圆周延伸，但在一些实施例中，可以仅部分地围绕接地电极的圆周延伸。附接部分74的固化的粘合材料70包括来自接地电极18的材料(诸如以上描述的用于护套40的镍基材料)和壳体16的钢材料的混合物。这可以在实施例中实现，在该实施例中，固化的粘合材料70是完全包围接地电极18的圆形横截面轮廓42的激光焊接件。在另一个实施例中，固化的粘合材料70是固化的钎焊粉末，诸如镍钎焊过程中使用的镍基粉末，所述镍钎焊过程用于附接接地电极18和壳体16。可以是其他附接方法，举一个例子，诸如电阻焊。固化的粘合材料70通常形成壳体焊接焊盘74，所述壳体焊接焊盘74有利地与插入端26间隔开，以有助于通过允许插入端与邻接表面64之间的直接热传递来降低接地电极18的操作温度。在图1所示的接地电极凹槽52具有圆锥部分76的情况下，附接部分74的形状可以模仿圆锥部分76的形状，使得其朝向开口68比沿主根部分44的其他部分更宽。另外，附接部分74更有可能延伸到带有圆锥部分76的开口68中，而借助于轴向笔直凹槽52，附接部分74可以仅位于壳体16的远端24处。
接地电极18的主根部分44和弯曲部分46的直径与远端24处的壳体16的厚度T相比相对较大。在一些实施例中，主根部分44处或插入端26处的接地电极18的直径为壳体16的厚度T的约70-85％。在图1图示的实施例中，主根部分44处或插入端26处的接地电极18的直径为壳体16的厚度T的约74％。在一些实施例中，接地电极凹槽52的开口68的直径为壳体16的厚度T的约85-95％。在图1图示的实施例中，接地电极凹槽52的开口68的直径为壳体16的厚度T的约89％。这些比率有助于最大化铜芯38的尺寸，同时保持壳体16和附接部分74的结构整体性。
铜芯38的横截面积和尺寸在主根部分44和弯曲部分46中最大，但在一些实施例中，诸如图1图示的实施例，锥形部分48包括在直径上减小的铜芯部分78。在锥形部分48中，接地电极18的直径减小，并且铜芯38的直径对应地减小。这个锥形部分48可以在点火端部分50形成过程中形成。
点火端部分50包括在图示实施例中的平的尖端部分30。平的尖端部分30允许贵金属材料(诸如尖端32)简单附接到圆形接地电极线。点火端部分50被平化的方式可以有助于保持通过将横截面轮廓42从正方形变为圆形而获得的温度提高。在图1图示的实施例中，点火端部分50包括砧型尖端80，其中平的尖端部分30在接地电极18面向火花间隙G的一侧上是平的，并且在接地电极背离火花间隙的一侧上是平的。在图4图示的实施例中，点火端部分50包括勺型尖端82，其中平的尖端部分30仅在接地电极18面向火花间隙的一侧上是平的，但是在接地电极背离火花间隙的一侧上是圆形的。另外，在图4的实施例中，接地电极18不具有锥形部分，而是直接从点火端部分50延伸到弯曲部分46。其他结构或配置调整，无论是否具有功能，都是可能的。
应当理解，以上是对本发明的一个或多个优选示例性实施例的描述。本发明不限于在此公开的具体实施例，而是仅由下面的权利要求来限定。此外，上述描述中包含的声明涉及具体实施例，并且不认为是对本发明的范围或在权利要求中所使用的术语的定义的限制，除非在上面明确地定义了术语或短语。对于本领域技术人员将变得清楚的是各个其他实施例和对所公开的实施例的各种变化和修改。所有这些其他实施例、变化和修改都要在所附权利要求的范围内。
如在本说明书和权利要求中所使用的，术语“例如”、“如”、“举例来说”、“诸如”和“像”以及动词“包含”、“具有”、“包括”以及它们的其他动词形式在结合一个或多个组件或其他物品的清单使用时各自被认为是开放式的，意味着该清单不被认为排除其他额外的组件或物品。其他术语使用它们的最广泛的合理意义来解释，除非他们被用在要求不同解释的上下文中。

Claims (20)

1.一种火花塞(10)，其包括：
壳体(16)，所述壳体具有轴向孔和接地电极凹槽(52)，所述接地电极凹槽具有邻接表面(64)和侧壁(66)；
绝缘体(14)，所述绝缘体具有轴向孔，并且至少部分地设置在所述壳体的轴向孔内；
中心电极(12)，所述中心电极至少部分地设置在所述绝缘体的轴向孔内；以及
接地电极(18)，所述接地电极具有插入端(26)、朝向所述插入端定位的主根部分(44)、点火端(28)、朝向所述点火端定位的点火端部分(50)、以及位于主根部分(44)和点火端部分(50)之间的锥形部分(48)，其中，与所述点火端部分相比，所述主根部分在尺寸上扩大，并且所述接地电极的尺寸扩大的主根部分(44)插入所述接地电极凹槽中，使得接地电极与接地电极凹槽之间的附接部分(74)包围尺寸扩大的主根部分(44)的至少一部分、并包括固化的粘合材料(70)，所述固化的粘合材料至少部分地位于所述接地电极(18)与所述壳体(16)之间。
2.根据权利要求1所述的火花塞(10)，其中，所述固化的粘合材料包括来自所述接地电极和所述壳体二者的材料的混合物。
3.根据权利要求2所述的火花塞(10)，其中，所述固化的粘合材料(70)是完全包围所述接地电极(18)的激光焊接件。
4.根据权利要求1所述的火花塞(10)，其中，所述附接部分(74)包括固化的粘合材料(70)，所述固化的粘合材料位于至少部分地在所述接地电极(18)与所述壳体(16)之间的连接界面处，并且所述固化的粘合材料包括固化的钎焊粉末。
5.根据权利要求1所述的火花塞(10)，其中，所述接地电极(18)包括主根部分(44)、弯曲部分(46)、锥形部分(48)和点火端部分(50)。
6.根据权利要求5所述的火花塞(10)，其中，所述主根部分(44)包括重叠区域(54)，其中，在所述重叠区域处，所述接地电极(18)的一部分(56)朝向所述火花塞的端子端(58)延伸，超出所述绝缘体(14)的远端(22)。
7.根据权利要求5所述的火花塞(10)，其中，所述点火端部分(50)包括平的砧型尖端(80)。
8.根据权利要求5所述的火花塞(10)，其中，所述点火端部分(50)包括平的勺型尖端(82)。
9.根据权利要求5所述的火花塞(10)，其中，所述锥形部分(48)包括在直径上减小的铜芯(38)。
10.根据权利要求5所述的火花塞(10)，其中，铜芯(38)从所述锥形部分(48)延伸到所述主根部分(44)。
11.根据权利要求1所述的火花塞(10)，其中，所述接地电极凹槽(52)的侧壁(66)是弯曲的，并且在所述邻接表面(64)与所述壳体(16)的远端(24)之间轴向笔直延伸。
12.根据权利要求1所述的火花塞(10)，其中，所述接地电极凹槽(52)的侧壁(66)在所述邻接表面(64)与所述壳体(16)的远端(24)之间是锥形的。
13.根据权利要求1所述的火花塞(10)，其中，所述接地电极(18)具有镍基材料的护套(40)和铜基材料的铜芯(38)。
14.根据权利要求13所述的火花塞(10)，其中，所述镍基材料包括75-98wt％的镍和铝。
15.根据权利要求1所述的火花塞(10)，其中，所述接地电极凹槽(52)的开口(68)的直径是在所述壳体的远端(24)处的所述壳体(16)的厚度(T)的85-95％。
16.根据权利要求1所述的火花塞(10)，其中，在所述插入端(26)处的所述接地电极(18)的直径是在所述壳体的远端(24)处的所述壳体(16)的厚度(T)的70-90％。
17.一种火花塞(10)，其包括：
壳体(16)，所述壳体具有轴向孔和接地电极凹槽(52)，所述接地电极凹槽具有圆形横截面轮廓，所述接地电极凹槽具有邻接表面(64)和侧壁(66)；
绝缘体(14)，所述绝缘体具有远端(22)、端子端以及轴向孔，所述轴向孔在所述端子端与所述远端之间延伸，所述绝缘体至少部分地设置在所述壳体的轴向孔内；
中心电极(12)，所述中心电极至少部分地设置在所述绝缘体的轴向孔内；以及
接地电极(18)，所述接地电极具有插入端(26)和点火端(28)，其中，具有圆形横截面轮廓的主根部分(44)位于所述插入端处，并且点火端部分(50)位于所述点火端处，其中，具有圆形横截面轮廓的主根部分插入具有圆形横截面轮廓的接地电极凹槽中，使得所述主根部分包括重叠区域(54)，在所述重叠区域处，所述主根部分的一部分朝向所述火花塞的端子端(58)延伸，超出所述绝缘体的远端，其中，所述接地电极进一步包括位于主根部分(44)和点火端部分(50)之间的锥形部分(48)，其中，与所述点火端部分相比，所述主根部分在尺寸上扩大，并且所述接地电极的尺寸扩大的主根部分(44)插入所述接地电极凹槽中。
18.一种火花塞(10)，其包括：
壳体(16)，所述壳体具有轴向孔和接地电极凹槽(52)，所述接地电极凹槽具有平的邻接表面(64)和侧壁(66)；
绝缘体(14)，所述绝缘体具有远端(22)、端子端以及轴向孔，所述轴向孔在所述端子端与所述远端之间延伸，所述绝缘体至少部分地设置在所述壳体的轴向孔内；
中心电极(12)，所述中心电极至少部分地设置在所述绝缘体的轴向孔内；以及
接地电极(18)，所述接地电极具有插入端(26)、朝向所述插入端定位的主根部分(44)、点火端(28)、朝向所述点火端定位的点火端部分(50)、护套(40)和铜芯(38)，所述接地电极的插入端是平的，并且插入所述接地电极凹槽中，所述护套包括镍基材料，并且所述铜芯包括铜基材料，其中，所述镍基材料包括75-98wt％的镍，其中，与所述点火端部分相比，所述主根部分在尺寸上扩大，并且所述接地电极的尺寸扩大的主根部分(44)插入所述接地电极凹槽中，其中，锥形部分(48)位于主根部分(44)和点火端部分(50)之间。
19.根据权利要求18所述的火花塞(10)，其中，所述镍基材料包括铝。
20.根据权利要求19所述的火花塞(10)，其中，所述镍基材料包括90-95wt％的镍和1-3wt％的铝。
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