CN1599161A

CN1599161A - 高性能、长寿命的火花塞

Info

Publication number: CN1599161A
Application number: CN200410078660.8A
Authority: CN
Inventors: 金生启二; 冈部伸一
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2024-09-17
Also published as: EP1517418A2; EP1517418A3; JP2005093220A; JP4123117B2; EP2840671A1; CN100452587C; US7282844B2; US20050057134A1; EP2840671B1

Abstract

本发明公开了一种火花塞，其包括一金属壳体、一绝缘体、一中心电极、一接地电极、一第一贵金属片、以及一第二贵金属片。金属壳体上螺纹部分的外径等于或小于14mm，以便于火花塞能被安装到内燃机上。通过实验研究为火花塞各个结构参数确定出合适的尺寸范围，这些结构参数例如是第一贵金属片的端面面积S、第一贵金属片的长度A、第二贵金属片的端面面积Q、第二贵金属片的长度B、气穴尺寸L、火花塞间隙的间距G、比值L/G、以及绝缘体的厚度T。该结构可确保火花塞具有高性能、长寿命。

Description

高性能、长寿命的火花塞

技术领域

本发明总体上涉及一种用于内燃机的火花塞。更具体来讲，本发明涉及车用内燃机上火花塞的一种改进结构，该结构能确保火花塞的高性能和长使用寿命。

背景技术

用于内燃机的普通火花塞一般包括一金属壳体、一绝缘体、一中心电极、以及一接地电极。

金属壳体上具有一螺纹部分，用于将火花塞装配到发动机的燃烧室内。绝缘体的中央制有一个孔腔，且绝缘体被固定到金属壳体中，并使得其一端从金属壳体的一个端部中突出。中心电极被固定到绝缘体的中央孔腔中，且其一端从绝缘体的所述端部中突伸出。接地电极具有一个侧面，而且接地电极被接合到金属壳体的所述端部上，以使得其侧面与中心电极的端部相对，并离开一定距离，从而在二者之间形成一个火花塞间隙。

近些年来，为了提高发动机的功率输出和改善燃油经济性，人们在不断地提高发动机的压缩比。但是，与此同时，压缩比的提高导致火花塞需要有更高的点火电压(即产生火花所需的电压)。

火花塞所需点火电压的提高就意味着在火花塞的火花塞间隙之间产生火花的难度增大了。这样就会形成“侧火花”，而不是在火花塞间隙中产生正常的电火花。

侧火花是一种从火花塞的中心电极沿绝缘体的外表面串延、并飞向火花塞金属壳体的电火花。更具体来讲，侧火花飞跨过绝缘体外表面与金属壳体内表面之间的间隙，从而导致火花塞出现的丢火。因此，在产生侧火花的情况下，装备有该火花塞的发动机的性能就会下降。

在另一方面，为了提高发动机的功率输出，通常情况下需要增大与进气歧管和排气歧管相关的气门的尺寸，并需要确保用于冷却发动机的水套工作良好。因此，发动机上可用来安装火花塞的空间就要被减小，因而，希望能减小火花塞的尺寸。

火花塞的小型化将导致气穴(Air pocket)尺寸的减小，其中的气穴是指：在金属壳体与接地电极相接合的那一端部处，绝缘体外表面与金属壳体内表面之间的空间。如上文所述那样，除了火花塞点火所需电压的提高会导致侧火花的产生之外，气穴尺寸的减小也会导致火花塞中产生侧火花。

因而，希望将火花塞中气穴的尺寸保持在一定水平之上，以防止侧火花的产生。但是，在另一方面，如果将火花塞绝缘体的径向厚度减薄来保证小型化火花塞中气穴的尺寸，则火花塞的耐受电压就会降低；耐受电压的降低会导致火花塞出现绝缘击穿。

因此，在将火花塞小型化时，需要在防止火花塞产生侧火花与保证火花耐受电压之间进行折衷。

作为此折衷考虑的一个方案，在日本专利文件特开2000-243535中提出了一种火花塞，其结构的一些参数经过了合适的限定，这些参数例如是上述的绝缘体径向厚度和气穴尺寸。

近来，人们除了如上文所述那样寻求提高发动机的性能之外，还致力于保证发动机具有较长的工作寿命。举例来讲，在过去，希望发动机的实际工作公里数大约能达到100000公里，但在目前却希望发动机能保证超过200000公里的实际里程。

在此条件下，本发明的发明人对特开2000-243535号日本待审专利中提出的火花塞进行了研究。结果发现：如果这种火花塞被使用了很长时间之后，就不能可靠地消除火花塞中的侧火花。

具体来讲，如果火花塞的使用里程超过了200000公里，则火花塞的中心电极和接地电极会出现显著的损耗，从而极大地增加了二者之间的火花塞间隙。这样，由于火花塞间隙的增大，需要进一步加大火花塞的点火电压，从而将有利于火花塞中产生侧火花。因此，火花塞的这种结构不能保证火花塞的高性能和长寿命。

发明内容

因而，本发明的一个目的是通过一种结构改进的火花塞，该结构能在不牺牲火花塞耐受电压性的前提下、在很长的工作寿命内防止火花塞中产生侧火花。

如上文描述的那样，在经过长期使用之后，普通火花塞中的火花塞间隙会显著增大。火花塞间隙的增大造成火花塞所需的点火电压提高，从而使火花塞易于产生侧火花。

因而，希望能抑制火花塞所需点火电压由于火花塞间隙的增大而提高，从而使火花塞具有高性能和长工作寿命。

一种用于阻止火花塞所需点火电压增大的常规途径是通过将火花塞中心电极细长化来加强火花塞火花塞间隙中的电场；火花塞间隙中一尤其是中心电极周围较强的电场能更为有利地抑制火花塞所需的点火电压。

基于这种常规的途径，本发明的发明人通过试验发现：不仅可通过将火花塞的中心电极细长化来增强火花塞火花塞间隙中的电场，而且可通过将该火花塞的接地电极细长化并使其突伸以增强电场。换言之，本发明人已经发现：将火花塞的接地电极细长化、并使其突出将具有抑制其所需点火电压增加的效果。

另外，本发明的发明人已通过实验研究了一种火花塞结构参数的合适范围，在该火花塞的结构中，接地电极经过了细长化处理，且突伸出来。

本发明是基于这些实验研究的结果而作出的。

根据本发明的一个方面，提供了一种火花塞S1，其包括：

中空的金属壳体，其具有一第一端和一与第一端相反的第二端，金属壳体的外周面上还具有一螺纹部分，并在第一端上具有一内腔开孔，螺纹部分的外径在12到14mm的范围内；

具有一定长度的绝缘体，其具有一第一端和与第一端相反的第二端，绝缘体的内部也制有一个孔腔，以一定方式将绝缘体固定在金属壳体的内腔中，以使得绝缘体的第一端从金属壳体的第一端中突出；

中心电极，其被固定在绝缘体的孔腔内，中心电极的一端从绝缘体的第一端中突伸出；

接地电极，其具有一侧面，接地电极被接合到金属壳体的第一端上，以使得接地电极的侧面与中心电极的所述端部成相对的位置关系；

第一贵金属片，其具有一第一端，该第一端被接合到中心电极的所述端部上，并具有一第二端，其面对着接地电极的侧面；以及

第二贵金属片，其一第一端被接合到接地电极的侧面上，而第二端则面对着第一贵金属片的第二端，第二贵金属片的第二端与第一贵金属片的第二端分离开，从而在二者之间形成一火花塞间隙；

其中：第一贵金属片第二端的表面积S在0.12到0.38mm²的范围内并包含端点值；

从中心电极的端部到第一贵金属片第二端之间，第一贵金属片的长度A在0.8mm到1.5mm的范围内并包含端点值；

第二贵金属片第二端的表面积Q在0.12到0.65mm²的范围内并包含端点值；

从接地电极的侧面到第二贵金属片第二端之间，第二贵金属片的长度B在0.5mm到1.2mm之间并包含端点值；

在一基准平面上，形成所述内腔的金属壳体内表面与绝缘体外表面之间的距离L大于或等于1.5mm，所述基准平面的延伸方向垂直于绝缘体的长度方向，并经过金属壳体第一端的一内边缘；

距离L与一间距G的比值大于或等于1.25，其中间距G为第一、第二贵金属片各自第二端之间火花塞间隙的间距；以及

在基准平面上，绝缘体的厚度T大于等于0.7mm。

如上所述，对各个参数S、A、Q、B的数值范围分别进行了限定，由此可增强火花塞S1上火花塞间隙中的电场。

另外，相比于常规的火花塞，通过增强火花塞间隙中的电场，可显著地抑制火花塞S1所需点火电压由于火花塞间隙的间距G增大而出现的升高。

另外，如上所述，对距离L、比值L/G、以及厚度T的数值范围分别进行了限定，以便于在确保火花塞S1绝缘性能(即耐受电压性)的同时有效地抑制火花塞S1中侧火花的产生。

因此，根据本发明的火花塞S1具有能阻止火花塞中产生侧火花、同时保证其耐受电压性的结构。

如上所述，火花塞S1所包括的金属壳体带有螺纹部分，且螺纹部分的外径在12mm到14mm的范围内。

与上述的火花塞S1相比，一种火花塞S2更为细长，其金属壳体具有外径小于或等于10mm的螺纹部分。因而，尽管火花塞S2的结构几乎与火花塞S1的结构完全相同，但由于尺寸上的限制，火花塞S2的某些结构参数一例如距离L和厚度T的数值范围将不与上述的范围相同。

根据本发明的另一方面，火花塞S2金属壳体上螺纹部分的外径小于或等于10mm，其结构参数的数值范围被具体限定如下：

第一贵金属片上一第二端的表面积S在0.12到0.38mm²的范围内并包含端点值；

从一中心电极的端部到第一贵金属片第二端之间，第一贵金属片的长度A在0.8mm到1.5mm的范围内并包含端点值；

第二贵金属片一第二端的表面积Q在0.12到0.65mm²的范围内并包含端点值；

从一接地电极的侧面到第二贵金属片第二端之间，第二贵金属片的长度B在0.5mm到1.2mm之间并包含端点值；

在一基准平面上，形成一内腔的金属壳体内表面与一绝缘体外表面之间的距离L在1.2到1.6mm的范围内并包含端点值，所述基准平面的延伸方向垂直于绝缘体的长度方向，并经过金属壳体一第一端的一内边缘；

第一、第二贵金属片各自第二端之间火花塞间隙的间距G在0.4到1.0mm的范围内并包含端点值；以及

在基准平面上，绝缘体的厚度T在0.5到0.8mm的范围内并包含端点值。

在火花塞S2的结构中，参数S、A、Q以及B的数值范围与火花塞S1结构中的对应数值范围相同，从而可增强火花塞S2火花塞间隙中的电场。因此，相比于常规的火花塞，可显著地抑制所需点火电压由于火花塞间隙的间距G增大而出现的升高。

另外，通过如上所述那样对距离L的尺寸范围进行限定，可在细长化火花塞S2结构中尺寸受到限制的条件下有效地抑制侧火花的产生。

另外，通过如上文所述那样对火花塞间隙的间距G的尺寸范围进行限定，可防止该细长化的火花塞S2出现丢火，由此可增强火花塞S2的点火性能。

另外，通过如上述那样对厚度T的尺寸范围进行限定，可确保在细长化火花塞S2结构中的尺寸限制条件下火花塞S2具有理想的绝缘性能(即耐受电压性)。

因此，根据本发明的火花塞S2还具有这样的结构：其可防止火花塞中产生侧火花，同时能确保火花塞在很长的工作寿命内具有良好的耐受电压性。

根据本发明的一优选实施方式，在火花塞S2的结构中，在一平面上，绝缘体内表面与中心电极外表面之间的间隙L1大于0.1mm，且等于或小于0.3mm，其中，所述平面的延伸方向平行于经过绝缘体第一端一内边缘的所述基准平面。

通过对间隙L1的数值范围进行限定，能进一步地提高火花塞S2抑制侧火花产生的能力。

根据本发明的另一优选实施方式，在火花塞S2的结构中，绝缘体的内表面或外表面可具有一小径段和一锥台段。另外，对锥台段的锥度范围进行限定，使该锥度小于2，优选为等于或小于1.5。

通过对锥台段的锥度范围进行限定，可保证火花塞S2中绝缘体的热强度，由此可在不牺牲火花塞S2绝缘性能的前提下防止绝缘体发生断裂。

根据本发明的又一优选实施方式，在火花塞S1和火花塞S2的结构中，第一贵金属片是由铱基合金制成的，该合金中铱的重量含量大于50％，且包括至少一种添加物；该合金的熔点大于2000摄氏度。另外，所述的至少一种添加物优选地是从Pt、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re、Al、Al₂O₃、Y、Y₂O₃中选出的。

另外，第二贵金属片是由铂基合金制成的，该合金中铂的重量含量大于50％，且包括至少一种添加物；合金的熔点大于1500摄氏度。另外，第二贵金属片的至少一种添加物优选地是从Ir、Rh、Ni、W、Pd、Ru、以及Re中选出的。

通过限定火花塞S1和S2中第一、第二贵金属片的材料，可确保第一、第二块体具有较长的工作寿命。

附图说明

从下文的详细描述、以及本发明优选实施方式的附图，可更加全面地理解本发明，但是，不应将本发明的范围限制在这些具体的实施方式中，提出这些实施方式的目的仅是为了进行解释和便于理解。

在附图中：

图1是一个局部剖开的侧视图，表示了根据本发明第一实施方式的火花塞总体结构；

图2是一个放大的局部剖开侧视图，表示了图1所示火花塞中的火花塞间隙及其附近部位；

图3中的图线代表了与本发明第一实施方式相关的一些研究结果，这些结果表示了为增强火花塞火花塞间隙中相对电场而采用与接地电极相接合的贵金属片时的效果；

图4A中的图线表示了与本发明第一实施方式相关的一些研究结果，这些结果代表的是火花塞接地电极上贵金属片一个端面的直径与火花塞中火花塞间隙的电场强度之间的关系；

图4B中的图线表示的是与本发明第一实施方式相关的一些研究结果，这些结果代表的是火花塞接地电极上贵金属片的长度与火花塞火花塞间隙中电场强度之间的关系；

图5中的图线表示的是与本发明第一实施方式相关的一些研究结果，这些结果代表的是火花塞中气穴尺寸与“侧火花”发生率之间的关系；

图6中的图线表示的是与本发明第一实施方式相关的一些研究结果，这些结果代表的是火花塞中绝缘体厚度与火花塞介电质击穿发生率之间的关系；

图7中的图线表示的是与本发明第二实施方式相关的一些研究结果，这些结果代表的是火花塞中气穴尺寸与“侧火花”发生率之间的关系；

图8中的图线表示的是与本发明第二实施方式相关的一些研究结果，这些结果代表的是火花塞中绝缘体厚度与火花塞介电质击穿发生率之间的关系；

图9是一个放大的局部剖开侧视图，表示了根据本发明第三实施方式的火花塞中的火花塞间隙及其附近部位；

图10中的图线表示的是与本发明第三实施方式相关的一些研究结果，这些结果代表的是火花塞中间隙尺寸对“侧火花”发生率的影响效果；

图11是一个放大的局部剖开侧视图，表示了根据本发明第四实施方式的火花塞中的火花塞间隙及其附近部位；

图12表示的是对与本发明第四实施方式相关的火花塞的绝缘体执行热冲击试验的结果；

图13中放大的局部剖开侧视图表示了根据本发明第四实施方式一种改型方式的火花塞中的火花塞间隙及其附近部位；以及

图14中的图线表示的是与本发明第五实施方式相关的一些研究结果，这些结果代表的是火花塞接地电极上贵金属片一个端面处直径与火花塞火花塞间隙中电场相关强度之间的关系。

具体实施方式

下面将参照附图1-14对本发明的优选实施方式进行描述。

应当指出的是：为了清楚简明并易于理解，如果可能的话，本发明不同实施方式中功能相同的同类构件在各个附图中将由相同的数字标号指代。

[第一实施方式]

图1表示了根据本发明第一实施方式的火花塞S1的总体结构。

火花塞S1被设计为用在机动车的内燃机上。当将火花塞S1安装到内燃机上时，穿过一个制在发动机缸盖(图中未示出)的螺纹孔将其插入到发动机的燃烧室(图中未示出)中，其中，所述缸盖与发动机的其它部件—例如气缸和活塞一道共同形成了燃烧室。

如图1所示，火花塞S1包括一金属壳体10、一绝缘体20、一中心电极30、一接地电极40、一第一贵金属片35、以及一第二贵金属片45。

中空的金属壳体10是由导电的金属材料—例如低碳钢制成的。如上所述，金属壳体10的外周面上具有一螺纹部分12，用于将火花塞S1安装到发动机的燃烧室(图中未示出)中。

在该实施方式中，金属壳体10螺纹部分12的外径在12到14mm之间(包括这两个端点值)。这一尺寸范围对应于符合JIS(日本工业标准)的M12~M14区间。

管状的绝缘体20是由氧化铝陶瓷(Al₂O₃)制成的，其被固定在金属壳体10中，并部分地包含在其中，并使得绝缘体20的一个端部21从金属壳体10的端部11中突伸出来。

另外，从图1可看出，在金属壳体10内表面的下部与绝缘体20外表面的下部之间形成了一个气穴。在该气穴处，金属壳体10内表面与绝缘体20外表面之间的距离是从金属壳体10内表面的下边缘处向着气穴的内部逐渐地增大的。

圆柱形的中心电极30是由Cu等传热性非常好的金属与耐热性、耐腐蚀向很好的金属材料制成的，其中的高传热金属被用作芯部材料，而另一种金属材料例如是Ni(镍)基合金，其被用作包层金属。

中心电极30被固定到绝缘体的中心孔腔22中，从而与金属壳体10隔绝开。中心电极30与绝缘体20一道被部分地包含在金属壳体10中，并使得中心电极30的一端31从绝缘体20的端部21中突伸出来。

由Ni基合金制成的接地电极40为柱状，在该实施方式中，其例如近似为L形的棱柱体，其中，所述合金主要是由Ni组成的。

接地电极40的一个端部被接合(例如通过焊接)到金属壳体10的端部11上。接地电极40的另一端部具有一个侧面42，其与中心电极30的端部31对置着。

下面参见图2，圆柱形的第一贵金属片35具有一第一端，其被接合到中心电极的端部31上，块体35的第二端面对着接地电极40的侧面42。

在该实施方式中，利用激光焊接方法将第一贵金属片35接合到中心电极30的端部31上。因此，利用激光焊接对两构件的熔融和混合操作，在第一贵金属片35与中心电极30之间形成了一个焊接层34。

优选地是，第一贵金属片35是由铱基合金制成的，该合金中铱的重量含量不低于50％，且包括一种添加物；这种合金的熔点大于2000℃。

另外，所述的至少一种添加物优选地是从如下的材料中选出的：Pt(铂)、Rh(铑)、Ni(镍)、W(钨)、Pd(钯)、Ru(钌)、Re(铼)、Al(铝)、Al₂O₃(氧化铝)、Y(钇)、Y₂O₃(氧化钇)。

在另一方面，圆柱形的第二贵金属片45具有一第一端，其被接合到接地电极40的侧面42上，且具有一第二端，其面对着第一贵金属片35的第二端。

第一、第二贵金属片35和45的两第二端部相互分离开，从而在二者之间形成一火花塞间隙50。火花塞间隙50的间距例如为1mm。

在该实施方式中，利用激光焊接将第二贵金属片45接合到接地电极40的侧面42上，从而利用激光焊接过程中的熔融和混合作用而在二者之间形成一焊接层44。

优选地是，第二贵金属片45是由铂基合金制成的，该合金中铂的重量含量大于50％，并包括至少一种添加物；该Pt基合金的熔点高于1500℃。

另外，用在第二贵金属片45中的至少一种添加物优选地是从Ir、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re中选出的。

必须要指出的是：也可采用其它的接合措施来将第一、第二贵金属片35和45分别接合到中心电极30和接地电极40上，例如可采用电阻焊、等离子焊、粘接等方式。另外，在该实施方式中为圆柱状的两个贵金属片35和45也可为棱柱状。

上文已经介绍了火花塞S1所有的主要部件，下面将参照图2对参数S、A、Q、B、G、L、T进行定义和描述。对于火花塞S1的结构而言，这些参数是至关重要的。

S是第一贵金属片35第二端的表面积(下文称之为端面面积S)。

第一贵金属片35的长度A是指从中心电极30的端部到第一贵金属片35第二端之间的长度(下文称为长度A)。

Q是第二贵金属片45第二端的表面积(下文称之为端面面积Q)。

B是第二贵金属片45的长度，其是指从接地电极40的侧面42到第二贵金属片45第二端之间的长度(下文称之为长度B)。

G是指第一、第二贵金属片35和45的两个第二端之间的间距(下文称之为火花塞间隙尺寸G)。

L是指在图2所示的基准平面101内、金属壳体10内表面与绝缘体20外表面之间的距离(下文被称为气穴尺寸L)；基准平面101的延伸方向垂直于绝缘体20的纵向，并经过金属壳体10端部11的内边缘。

T是指基准平面内绝缘体20的厚度(下文称为绝缘体厚度T)。

另外，如上文所述的那样，在该实施方式中，利用激光焊接工艺将第一、第二贵金属片35和45分别接合到中心电极30和接地电极40上。在此情况下，第一贵金属片35的长度A包括焊接层34的厚度，而第二贵金属片45的长度B则包括焊接层44的厚度。在不存在焊接层34和44等的其它情况下，长度A、B只等于第一贵金属片35第一端与第二端之间的距离、以及第二45贵金属片45的对应距离。

上述各个参数的尺寸范围限定了根据本发明的火花塞S1结构的特征，这些尺寸范围是由本发明根据如下的研究结果而确定出的。

首先，按照将火花塞的中心电极细长化、以增强火花塞间隙中电场强度的常规设计途径，对第一贵金属片35的端面面积S和长度A进行分析。更具体来讲，较小的端面面积S和/或较大的长度A能更为有利地增强火花塞间隙中电场的强度。

如上文提到的那样，第一贵金属片35在本实施方式中为圆柱形。已通过实验发现：如果第一贵金属片35第二端的表面直径等于或小于0.7mm、且长度A大于或等于0.8mm，则火花塞S1火花塞间隙50中的电场就能得到增强。

另外，通过实验还发现：如果第一贵金属片35第二端的表面直径小于0.4mm、或长度A大于1.5mm，则很难将热量从第一贵金属片35中传出。因此，由于温度升高，第一贵金属片35的电火花腐蚀就会增强，从而无法确保第一贵金属片35具有长的工作寿命。

另外，易于理解的是：圆柱形第一贵金属片35上0.4mm的第二端表面直径对应于0.12mm²的表面积，而0.7mm的表面直径则对应于0.38mm²的表面积。另外，应当指出的是：第一贵金属片35的形状并不仅限于为圆柱形。

因此，在该实施方式中，对第一贵金属片35端面面积S和长度A的尺寸范围进行了限定，以增强火花塞间隙50中的电场，此限定使得S处于0.12到0.38mm²的范围内、A处于0.8mm到1.5mm的范围内。

其次，基于一种方案对第二贵金属片45的表面积Q和长度B进行了设计，其中，所述方案是由本发明人首次提出的，目的在于增强火花塞火花塞间隙中的电场。该方案的主要思想在于：通过使火花塞的接地电极细长化、并进行突伸，也能增强火花塞火花塞间隙中的电场。因而，对于火花塞S1的第二贵金属片45，较小的端面面积Q和/或较大的长度B将更利于火花塞间隙50中电场的增强。

基于上述的考虑，研制出一种火花塞结构，该结构适于将第二贵金属片45细长化、以增强火花塞间隙50中的电场；在所研制的结构中，金属壳体10上螺纹部分12的外径在12到14mm的范围内。

应当指出的是：下面列举的研究结果特别适合于其金属壳体10螺纹部分12的外径为14mm的火花塞S1；但实验已经证实：对于外径在12mm到14mm之间的任何火花塞S1，都存在相同的趋势、并能获得类似的结果。

另外，研究中所使用的所有火花塞，第一贵金属片35的端面面积S均为0.2mm²、长度A为1.2mm，且火花塞间隙的基准尺寸G为1.0mm。通过将圆柱形第一贵金属片35第二端的表面直径限定为0.5mm，就可实现0.2mm²的端面面积S。

为了进行研究而使用两种不同类型的火花塞，其中一种火花塞的接地电极40上未接合有第二贵金属片45(这种火花塞被称为平板接地电极型)，而另一种火花塞的接地电极40上则设置有一第二贵金属片45(被称为突出接地电极型)。

因而，平板接地电极型火花塞的火花塞间隙50是在第一贵金属片35的第二端面与接地电极40的侧面42之间形成的。对于突出接地电极型火花塞，第二贵金属片45的端面面积Q为0.38mm²、长度B为0.8mm。通过将圆柱形第二贵金属片45第二端的表面直径限定为0.7mm就能实现0.38mm²的端面面积Q。

采用上述两种不同类型的火花塞，通过FEM(有限元)分析方法对采用第二贵金属片45以增强火花塞间隙中电场的效果(即将接地电极40细长化并使其突伸的效果)进行研究。

研究结果表示在图3中，图中的水平轴线代表的是火花塞间隙G相对于火花塞间隙G基准值1.0mm的增量，而垂直轴线则代表的是电场的相关强度。

对于给定的火花塞间隙G，电场的相关强度被定义为火花塞间隙50中电场最大强度与一基准强度的比值；基准强度是指火花塞间隙的尺寸G等于1.0mm的基准值时、火花塞间隙50中电场的最大强度。

从图3所示的研究结果可以看出：在使接地电极突起的情况下，电场相关强度随火花塞间隙G加大而下降的趋势变慢了，换言之，相比于平板接地电极型的情况，相对于火花塞间隙G的增大，火花塞所需点火电压的增大放慢了。

应当指出的是：火花塞间隙尺寸G0.2mm的增量大致上对应于实际行驶里程200000公里之后由于电火花磨损而使火花塞间隙尺寸G增大的量。

从图3可看出，在突出接地电极型火花塞的情况下，甚至在火花塞间隙尺寸G增大0.2mm的情况下，电场的相关强度也能保持在0.9以上，在实际工作中，这样的强度是能被接受的。

因此，相比于普通的平板接地电极型火花塞，根据本发明的突出接地电极型火花塞可在更长的使用寿命内将火花塞间隙中的电场强度保持在一个很高的水平上，由此可有效地抑制火花塞所需点火电压的升高。

另一项研究是针对第二贵金属片45的端面面积Q和长度B进行的。具体来讲，利用FEM分析方法确定出了可有效抑制火花塞所需点火电压由于火花塞间隙尺寸G增大而升高的参数Q和B的数值范围。

研究结果表示在图4A和图4B中。应当指出的是：该研究中所测试火花塞的第二贵金属片45为圆柱形，且火花塞间隙的尺寸G被保持为恒定—等于1.2mm。

在图4A中，第二贵金属片45第二端面的尺寸是由直径、而非面积代表的。另外，在图4A和图4B中，电场相关强度的定义与图3是相同的。此外，图中的黑圆点代表了由根据本发明的突出接地电极型火花塞获得的结果，而白圈点则指代由普通的平板接地电极型火花塞获得的结果，列出该结果是为了进行对比。

图4A表示了一些研究结果，在该研究中，对第二贵金属片45第二端的表面直径进行改变，以确定出所产生的电场相关强度，与此同时，长度B被保持为恒定的0.8mm。

图4B表示了一些研究结果，在这些研究中，对长度B进行改变以确定出此条件下所产生电场的相关强度，与此同时，第二贵金属片45第二端的表面直径被保持为恒定值0.7mm。

从图4A和图4B可看出：当第二贵金属片45第二端的表面直径等于或小于0.9mm、且长度B等于或大于0.5mm时，可将电场相关强度保持在0.9以上，由此可有效地抑制火花塞所需点火电压由于火花塞间隙尺寸G的增大而升高。

另外，尽管未在图中表示出，但从实验发现：如果第二贵金属片45第二端的表面直径小于0.4mm、或长度B大于1.2mm，则很难将热量从贵金属片45传走，从而导致出现提前点火现象。

不难理解：第二贵金属片45第二端0.4mm的表面直径对应表面积为0.12mm²，而0.9mm的表面直径则对应于0.65mm²的表面积。另外，应当指出的是：第二贵金属片45的形状并不仅限于圆柱形。

因此，在该实施方式中，对第二贵金属片45端面面积Q和长度B的数值范围进行了限定，以增强火花塞间隙50中电场的强度，设计使得Q在0.12到0.65mm²的范围内，且长度B在0.5到1.2mm的范围内。

在螺纹部分12的外径为14mm的火花塞S1中，除了对端面面积S和长度A的尺寸范围进行限定之外，还可对端面面积Q和长度B的尺寸范围进行限定，这样就能抑制火花塞所需点火电压由于火花塞间隙尺寸增大而升高，由此阻止了侧火花的产生。

最后，对火花塞S1的气穴尺寸L以及绝缘体厚度T进行设计。

气穴尺寸L这一参数能影响火花塞S1抑制侧火花产生的能力。如上文提到的那样，由于侧火花会飞跨过气穴而到达金属壳体10上，所以较大的气穴尺寸L将有利于抑制侧火花的产生。因而，下面的研究将只确定出参数L的下限。

图5所示的研究结果表示了气穴尺寸L与侧火花发生率(即产生侧火花的可能性)之间的关系。在发动机转速为800rpm、水温为50℃的怠速工况下，利用一1800cc排量的四缸发动机进行了研究。

该研究中所测试的火花塞具有这样的结构：在该结构中，螺纹部分12的外径为14mm；端面面积S为0.2mm²(所对应的端面直径为0.5mm)；长度A为1.2mm；端面面积Q为0.38mm²(所对应的端面直径为0.7mm)；长度B为0.8mm；以及，火花塞间隙的尺寸G为1.2mm。

在研究中，对气穴尺寸L进行改变以确定出所导致的侧火花发生率。具体来讲，对于每一给定的气穴尺寸L，共执行100次放电发火，将产生了侧火花的点火次数就计为该气穴尺寸给定值L的侧火花发生率。

从图5可看出，如果气穴尺寸L等于或大于1.5mm，则就能完全消除火花塞中的侧火花。

另外，侧火花的产生不仅受到单个参数L的影响，而且受参数L与火花塞间隙尺寸G之间关系的影响。具体来讲，如果气穴尺寸L相对于某一给定的火花塞间隙G足够大，则在将侧火花抑制的同时，火花塞间隙50中只能产生正常的放电火花。

因而，除了孤立地考虑到气穴尺寸L之外，还对气穴尺寸L相对于火花塞间隙尺寸G的比值(下文称为L/G)进行了分析。由于L/G越大，越有利于抑制侧火花的产生，所以，在该研究中，只需要利用气穴尺寸L的下限值(即1.5mm)与上述研究中火花塞间隙的尺寸G(即1.2mm)确定出L/G的下限值就可以了，这样确定出的L/G等于或大于1.25。

在另一方面，绝缘厚度T这一参数会影响到火花塞S1抵御介电击穿的能力(即确保火花塞S1的耐受电压度)。较大的绝缘厚度T能更为有利地保证火花塞S1的耐受电压性。因而，在火花塞S1的尺寸限制条件内，要在选择较大的厚度T与选择较大的气穴尺寸L之间进行取舍。

为了能在抑制侧火花产生的同时防止火花塞S1出现介电击穿，通过如下的研究确定出了绝缘厚度T的下限。

图6所示的研究结果表示了绝缘厚度T与火花塞介电击穿发生率之间的关系。该研究是在从怠速到节气门全开的1000rpm加速条件下进行的，使用的是一台1800cc排量的四缸发动机，在此条件下，所需的点火电压将很高，因而火花塞易于发生介电击穿。

该研究中测试的火花塞具有这样的结构：在该结构中，螺纹部分12的外径为14mm；端面面积S为0.2mm²；长度A为1.2mm；端面面积Q为0.38mm²；突起长度B为0.6mm；火花塞间隙的尺寸G为1.2mm；以及气穴尺寸L为1.5mm。

应当指出的是：当气穴尺寸L减小时，火花塞的电场会更加集中在基准平面101内的绝缘体20处。因而，该研究中采用气穴尺寸L的下限值1.5mm是为了使研究处于最为临界的条件下。

在该研究中，对绝缘厚度T进行改变以确定出所导致的介电击穿发生率。具体来讲，对于每一给定的绝缘厚度T，测试十个具有此厚度T的火花塞，发生介电击穿的火花塞数目与总数目的比值被当作是该给定厚度T下介电击穿的发生率。

从图6可看出，如果绝缘体20的绝缘厚度T大于或等于0.7mm，则就能保证火花塞的耐受电压性，从而可防止介电击穿。

因此，对于火花塞S1，由于绝缘体20的绝缘厚度可被显著减小到0.7mm，所以可相应地增大气穴的尺寸L，由此使火花塞S1的设计具有更大的柔性。

总之，根据本发明该实施方式的火花塞S1的结构特征体现为如下的参数，其中，火花塞S1金属壳体10螺纹部分12的外径在12到14mm的范围内：

第一贵金属片35端面面积S在0.12到0.38mm²的范围内；

第一贵金属片35的长度A在0.8到1.5mm的范围内；

第二贵金属片45的端面面积Q在0.12到0.65mm²的范围内；

第二贵金属片45的长度B在0.5mm到1.2mm的范围内；

作为金属壳体10内表面与绝缘体外表面之间在基准平面101内距离的气穴尺寸L等于或大于1.5mm；

L/G等于或大于1.25mm，该比值是气穴尺寸L与火花塞间隙尺寸G之间的比值；以及

绝缘厚度T等于或大于0.7mm，厚度T是绝缘体20在基准平面内的厚度。

按照上文的讨论对端面面积S和长度A的尺寸范围进行了限定，由此可增强火花塞S1火花塞间隙50中的电场。

另外，还如上文所述那样对端面面积Q和长度B的尺寸范围进行了限定，从而可增强火花塞间隙50中的电场。

相比于普通的火花塞，通过增强火花塞间隙50中的电场，可显著地抑制火花塞S1所需点火电压由于火花塞间隙尺寸G的增大而升高。

另外，如上所述，对气穴尺寸L、比值L/G、以及绝缘厚度T的尺寸范围都进行了限定，从而可有效地抑制火花塞S1中产生侧火花，同时还保证了火花塞S1的绝缘性能(即耐受电压性)

因此，根据本发明该实施方式的火花塞S1的结构能防止火花塞S1中产生侧火花，与此同时还保证了火花塞在很长工作寿命内的耐受电压性。

此外，第一贵金属片35优选地是由Ir基合金制成的，该合金的中Ir的重量含量在50％以上，并包括至少一种添加物，该合金的熔点高于2000℃。

另外，所述的至少一种添加物优选地是从Pt、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re、Al、Al₂O₃、Y、Y₂O₃中选出的。

通过如上所述那样对第一贵金属片35的材料进行限定，能保证第一贵金属片35具有很长的工作寿命。

另外，第二贵金属片45优选地是由Pt基合金制成的，该合金的中Pt的重量含量在50％以上，并包括至少一种添加物，该合金的熔点高于1500℃。

另外，用于第二贵金属片45的所述至少一种添加物优选地是从Ir、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re中选出的。

通过如上所述那样对第二贵金属片45的材料进行限定，能保证第二贵金属片45具有很长的工作寿命。

[第二实施方式]

对于根据上述实施方式的火花塞S1，其金属壳体10上螺纹部分12的外径在12到14mm的范围内；在当前实施方式中，提供了一种火花塞S2，其金属壳体10上螺纹部分12的外径等于或小于10mm。

应指出的是，对于火花塞S2的螺纹部分12，其外径的范围等于或小于10mm，这将对应于JIS中等于或小于M10的规格。

火花塞S2的结构与火花塞S1的结构几乎完全相同，从而也可参照图1和图2对其进行描述。因而，当前实施方式中主要对火花塞S1与火花塞S2结构上的区别进行描述。

火花塞S2螺纹部分12的外径小于火花塞S1上螺纹部分的外径。换言之，火花塞S2相比于火花塞S1更为细长。因而，在火花塞S2的结构中，由于受到尺寸上的限制，诸如气穴尺寸L和绝缘厚度T等参数的尺寸范围将无法与火花塞S1的结构相同。

因而，本发明人基于研究结果确定出了这些参数的尺寸范围，这些参数范围限定了根据该实施方式的火花塞S2的结构特征。

应当指出的是：下面列举的实验结果尤其适于金属壳体10螺纹部分12的外径为10mm的火花塞S2；但实验已经证实：对于外径小于10mm的任何火花塞S2，都存在相同的趋势、并能获得类似的结果。

首先，对火花塞S2第一贵金属片35的端面面积S和长度A的尺寸范围进行确定，以使得S处于0.12到0.38mm²的范围内、A处于0.8到1.5mm的范围内。

另外，对火花塞S2第二贵金属片45端面面积Q和长度B的尺寸范围进行确定，以使得Q处于0.12到0.65mm²的范围内、B处于0.5到1.2mm的范围内。

上面对于火花塞S2参数S、A、Q和B尺寸范围的限定与火花塞S1的情况相同。这些尺寸范围被确定为可增强火花塞S2火花塞间隙50中的电场。

其次，相关于火花塞间隙尺寸G，确定出火花塞S2中气穴尺寸L的尺寸范围。

如上文提到的那样，火花塞S2金属壳体10上螺纹部分12的外径小于火花塞S1的对应数值。因而，火花塞S2的气穴尺寸L将不可能与火花塞S1的尺寸一样大。换言之，火花塞S2结构中气穴尺寸L必定要小于火花塞S1结构中的尺寸。

因而，为了满足对气穴尺寸L与火花塞间隙尺寸G之间比值关系的要求，可考虑与气穴尺寸L的减小成比例地缩小火花塞间隙尺寸G；在上述实施方式中，对L/G的要求被限定为大于或等于1.25。

对于金属壳体上螺纹部分的外径小于或等于10mm的普通火花塞的结构，火花塞间隙尺寸G的上限通常等于1.0mm。因而，在该实施方式中，设定火花塞间隙尺寸G的上限为1.0mm。

与此相反，如果将火花塞间隙尺寸G过分地减小，则用来进行放电点火的间距将小到易于发生丢火的程度。具体来讲，已通过实验发现：如果火花塞间隙的尺寸G小于0.4mm，则就易于发生丢火。

因此，在该实施方式中，对火花塞间隙的尺寸G进行限定，以使得G处于0.4到1.0mm的范围内。

图7所示的研究结果表示了气穴尺寸L与侧火花发生率之间的关系。执行该研究的方式与第一实施方式中所执行的、结果表示在图5中的研究的方式相同；在该研究中，所测试的发动机具有四个气缸，排量为1800cc，且实验是在发动机转速为800rpm、水温为50℃的怠速条件下进行的。

研究中所测试的火花塞具有这样的结构：在该结构中，螺纹部分12的外径为10mm；端面面积S为0.2mm²(所对应的端面直径为0.5mm)；长度A为1.2mm；端面面积Q为0.38mm²(所对应的端面直径为0.7mm)；长度B为0.8mm；火花塞间隙的尺寸G为1.0mm；以及绝缘厚度T为0.6mm。在该研究中，对气穴尺寸L进行改变以确定出所导致的侧火花发生率。按照与其结果表示在图5中的研究相同的方式，计算出侧火花的发生率。

从图7可看出：如果气穴尺寸L大于或等于1.2mm，则基本上可消除火花塞中侧火花的产生。

最后，对绝缘厚度T对火花塞S2介电击穿发生率的影响进行了研究。

图8表示出了研究结果。该研究是按照与第一实施方式中的、结果表示在图6中的研究相同的方式进行的；在该研究中，用于进行测试的发动机具有四个气缸，且排量为1800cc，执行测试的条件是从怠速向节气门全开的1000rpm加速工况。

该研究中所测试的火花塞具有这样的结构：：在该结构中，螺纹部分12的外径为10mm；端面面积S为0.2mm²；长度A为1.2mm；端面面积Q为0.38mm²；长度B为0.6mm；火花塞间隙的尺寸G为1.0mm；以及气穴尺寸L为1.2mm。在该研究中，对绝缘厚度进行改变以确定出所导致的介电击穿发生率。按照与前述实施方式中研究相同的方式，计算出火花塞出现介电击穿的发生率。

从图8可看出，如果绝缘体20的绝缘厚度T等于或大于0.5mm，则就能保证火花塞的耐受电压性，进而防止其出现介电击穿。

另外，其金属壳体上螺纹部分的外径等于或小于10mm的火花塞的结构一般会受到尺寸条件的限制，这些尺寸限制条件包括：电极的尺寸、可用于容纳电极的空间、以及布置空间。由于存在这些尺寸限制，这些火花塞中气穴尺寸L的上限一般为1.6mm，绝缘厚度T的上限一般为0.8mm。

因此，在该实施方式中，对火花塞S2的气穴尺寸L和绝缘厚度T的尺寸范围进行了限定，以使得L处于1.2到1.6mm的范围内、T处于0.5到0.8mm的范围内。

总之，根据该实施方式的火花塞S2的结构特征体现为如下的参数，其中，火花塞S2金属壳体10上螺纹部分12的外径等于或小于10mm：

第一贵金属片35端面面积S在0.12到0.38mm²的范围内；

第一贵金属片35的长度A在0.8到1.5mm的范围内；

第二贵金属片45的端面面积Q在0.12到0.65mm²的范围内；

第二贵金属片45的长度B在0.5mm到1.2mm的范围内；

气穴尺寸L在1.2到1.6mm的范围内；

火花塞间隙的尺寸G在0.4到1.0mm的范围内；以及

绝缘厚度T在0.5到0.8mm的范围内。

在上述结构中，参数S、A、Q和B的尺寸范围分别等同于根据上述实施方式的火花塞S1结构的尺寸范围，从而可增强火花塞S2火花塞间隙50中的电场。因此，相比于普通的火花塞，可显著地抑制火花塞S2所需的点火电压由于火花塞间隙尺寸G增大而升高。

另外，通过如上述那样对气穴尺寸L的尺寸范围进行限定，可在细长化火花塞S2的尺寸限制条件内有效地防止火花塞S2产生侧火花。

另外，通过如上所述那样对火花塞间隙尺寸G的尺寸范围进行限定，可防止细长化后的火花塞S2出现丢火，由此提高了火花塞S2的点火性能。

另外，通过如上述那样对绝缘厚度T的尺寸范围进行限定，可在细长化火花塞S2的尺寸限制条件内确保其具有理想的绝缘性能(即耐受电压性)。

因此，根据该实施方式的火花塞S2的结构可防止侧火花的产生，同时还确保了火花塞在很长工作寿命内的耐受电压性。

[第三实施方式]

图9表示了在根据本发明第三实施方式的火花塞S3中、火花塞间隙50及其附近部位的结构。该实施方式是本发明第二实施方式的改型；因此，下面将主要对火花塞S3区别于第二实施方式中火花塞S2的结构特征进行描述。

火花塞S3包括一金属壳体10，其螺纹部分12(图9中未示出)的外径等于或小于10mm。火花塞S3的特征在于图9中的间隙L1在0.1到0.3mm的范围内；其中，L1是指在一个平面内绝缘体20内表面与中心电极30外表面之间的距离，其中的平面平行于基准平面101延伸，并经过绝缘体20一端21的内边缘。

一般来讲，在如火花塞S2的火花塞结构中，间隙L1等于或小于0.1mm，以允许中心电极30顺滑地插入到绝缘体20的中心孔腔22中。

但是，在该实施方式中，火花塞S3的间隙L1被增大，以便于获得抑制侧火花产生的效果，不然的话，需要通过增大气穴尺寸L来实现上述效果。此外，例如可通过对中心电极30执行机加工来增大间隙L1。

通过实验研究确定出根据该实施方式的、上述的间隙L1尺寸范围。所述研究的结果被表示在图10中。

执行该研究的方式与其结果表示在图5中的、第一实施方式中的研究的方式相同；在该研究中。所测试的发动机具有四个气缸，其排量为1800cc，且测试是在发动机转速为800rpm、水温为50℃的怠速条件下进行的。

研究中所测试的火花塞具有这样的结构：螺纹部分12的外径为10mm；第一贵金属片35的端面面积S为0.2mm²(所对应的端面直径为0.5mm)；第一贵金属片35的长度A为1.2mm；第二贵金属片45的端面面积Q为0.38mm²(所对应的端面直径为0.7mm)；第二贵金属片45的长度B为0.8mm；绝缘厚度T为0.6mm；以及火花塞间隙的尺寸G为0.9mm。在两种情况下，对气穴尺寸L进行改变以确定出所导致的侧火花发生率，在其中一种情况下，间隙L1被保持为恒定的0.1mm，而在另一情况下，间隙L1被保持为恒定的0.2mm。按照与其结果表示在图5中的研究相同的方式，计算出侧火花的发生率。

从图10可看出：相比于间隙L1为0.1mm的情况，在间隙L1为0.2mm的情况下，采用较小的气穴尺寸L就能有效地抑制侧火花的产生。

换言之，与间隙L1等于或小于0.1mm的普通火花塞相比，通过将间隙L1增大，可提高火花塞S3抑制侧火花产生的能力。

另外，从图10所述的结果可领会到：优选地是，使火花塞S3中间隙L1大于或等于0.2mm。

与此相反，如果间隙L1太大，则热量将很难从绝缘体20传递到中心电极30上，因而，绝缘体20端部21的温度将升得很高，由此导致提前发火现象的出现。因而，优选地是，火花塞S3的间隙L1等于或小于0.3mm。

因此，在该实施方式中，火花塞S3间隙L1的尺寸范围被限定为L1大于0.1mm，且小于或等于0.3mm。

相比于第二实施方式的火花塞S2，通过对间隙L1的尺寸范围进行限定，可使根据该实施方式的火花塞S3进一步增强了抑制侧火花产生的能力。

[第四实施方式]

图11表示了在根据本发明第四实施方式的火花塞S4中火花塞间隙5及其邻近部位的结构。该实施方式是本发明第二实施方式的改型；因此，下面将主要对火花塞S4区别于第二实施方式中火花塞S2的结构特征进行描述。

对于细长化的火花塞—例如火花塞S2，其金属壳体10上螺纹部分12的外径等于或小于10mm，此条件下，火花塞的绝缘体20也要相应地细长化，这就会为绝缘体带来热强度方面的问题。

在该实施方式中，提供了一种火花塞S4，其金属壳体10上螺纹部分(图11中未示出)的外径等于或小于10mm，这种火花塞是对其绝缘体20的热强度进行了实验研究后获得的结果。

如图11所示，火花塞S4的管状绝缘体20具有一外表面，该外表面上带有一锥台段23和一小直径的圆柱段24。小径段24的第一端距离绝缘体20端部21的尺寸为1mm，其第二端比第一端离绝缘体20的端部21更远。锥台段23具有与小径段24的第二端相重合的一个界面。锥台段24锥向着该界面变细。

图11中还表示出了该研究中所涉及的参数，其中：

H是在绝缘体20纵向方向上、金属壳体10端部11与绝缘体20端部21之间的距离，H大于1mm；

H1是指在绝缘体20纵向方向上、金属壳体10端部11与绝缘体20锥台段界面之间的距离；

D1是指绝缘体20锥台段在其界面处的直径；以及

D是指绝缘体20锥台段在基准平面101上的直径，D大于D1。

另外，在研究中，将锥台段23的锥度定义为(D-D1)/H1(下文称之为锥度(D-D1)/H1)。

锥度(D-D1)/H1这一参数对绝缘体20的热强度具有很大的影响。

具体来讲，当发动机经历从怠速向节气门满开度的加速过程、或从满开度向怠速的减速过程时，发动机就会出现快速加热和快速冷却。在这些情况下，用在该发动机中的火花塞的绝缘体内、外表面之间会产生很大的温度差，从而由于热应力的作用而使绝缘体断裂。

为了降低绝缘体内、外表面之间的该温度差，优选地是：使绝缘体端部处具有一小径部分。但是，与此同时，厚度较大的绝缘体更为有利于提高火花塞的绝缘性能。

具有小径段24和锥台段23的火花塞S4可解决上述的矛盾关系。然而，对于火花塞S4，锥台段23会导致热应力的增加，从而会从锥台段23的界面处(即小径段24的第二端处)产生断裂。

另外，实验已经发现：对于火花塞S4，在绝缘体20的一个部位处，其内、外表面之间的温差很小，绝缘体该部位与端部21的纵向距离为1mm。

因而，绝缘体20的热强度主要是受锥台段23和小径段24形状的影响。具体来讲，锥度(D-D1)/H1对绝缘体20热强度具有至关重要的影响；随着锥度(D-D1)/H1的增大，绝缘体20的热强度就会降低。

为了确定出可行的范围一即锥度(D-D1)/H1的上限，通过热冲击测试进行了研究。

该研究中所测试的火花塞具有这样的结构：螺纹部分12的外径为10mm；端面面积S为0.2mm²；长度A为1.2mm；端面面积Q为0.38mm²；长度B为0.6mm；火花塞间隙的尺寸G为1.0mm；气穴尺寸L为1.2mm；以及绝缘厚度T为0.6mm。

另外，在该研究中，距离H被保持为2.5mm；绝缘体20的直径D被保持为3.7mm；且绝缘体20的小径D1被保持为3.1mm。对于距离H1，则采用了三个不同的尺寸0.3mm、0.4mm、以及0.6mm。不难理解：对于给定的直径D和D1，锥度(D-D1)/H1与距离H1成反比。

通过将室温下的火花塞浸入到镀槽中液态锡(Sn)中、然后再判断火花塞是否由于室温与熔锡温度之间巨大的温差而出现裂纹，以此来执行热冲击实验。在研究中，改变熔锡的温度，以便于获得不同的温差。

图12表示出了研究结果。如图12所示，在每一给定的液态锡温度上，对三组不同的火花塞进行测试；每组火花塞分别包括五个H1相同的火花塞，尺寸H1从0.3mm、0.4mm和0.6mm中选择，属于不同组的火花塞具有不同的H1值。

在图12中，符号“O”代表没有出现断裂的火花塞，符号“×”代表出现任何断裂的火花塞。另外，图中还表示出了各个H1数值条件下对应的三个不同锥度值(D-D1)/H1。

应当指出的是：在这样的热冲击测试中，如果某种火花塞的绝缘体在高于800℃的熔锡温度下未出现任何的裂纹，则就认为该火花塞可被用在内燃机中。

从图12可看出：如果尺寸H1等于或大于0.3mm，则在800℃的温度上，所有被测火花塞的绝缘体都未出现开裂。0.3mm的尺寸H1所对应的锥度(D-D1)/H1为2。

从图12还可看出：如果尺寸H1大于或等于0.4mm，换言之，如果锥度(D-D1)/H1等于或小于1.5，则在850℃的温度上，所有被测火花塞的绝缘体20均不开裂。

因此，在该实施方式中，将火花塞S4锥度(D-D1)/H1的数值范围限定为使锥度(D-D1)/H1小于2，优选为等于或小于1.5。

总之，根据该实施方式的火花塞S4具有这样的结构：其锥度(D-D1)/H1小于2，优选为不大于1.5，其中，该火花塞金属壳体10上螺纹部分12的外径等于或小于10mm。

通过如上述那样对锥度(D-D1)/H1进行限定，可保证绝缘体20的热强度，由此可防止绝缘体20发生开裂，同时还确保了火花塞S4的绝缘性能。

[第四实施方式的改型]

根据前一实施方式的火花塞S4具有这样的结构：锥台段23被设置在绝缘体20的外表面上；本实施方式提供了火花塞S4的一种改型S4′，在该火花塞的结构中，锥台段23′被设置在一内表面上，该内表面在绝缘体20中形成了一个中央孔腔22。

图13表示出了火花塞S4′中一火花塞间隙50及其邻近部位的结构。如图13所示，绝缘体20的内表面包括一锥台段23′和一圆筒形的小径段24′。小径段24′的第一端与绝缘体端部21的内边缘相重合，第二端与端部21的内边缘离开一定距离。锥台段23′的界面与小径段23′的第二端相重合。锥台段23′向着其界面逐渐变细。

图13中还表示出了如下的参数，其中：

H1是指在绝缘体20纵向方向上、金属壳体10端部11与绝缘体20锥台段23′界面之间的距离；

D1′是指绝缘体20锥台段23′在其界面处的直径；

D′是指绝缘体20锥台段23′在基准平面101上的直径，D′大于D1′。

另外，在研究中，将锥台段23′的锥度定义为(D′-D1′)/H1(下文称之为锥度(D′-D1′)/H1)。

其金属壳体10上螺纹部分12(图13中未示出)的外径小于或等于10mm的火花塞S4′具有这样的结构：其锥度(D′-D1′)/H1小于2，优选为小于或等于1.5。

通过与本发明第四实施方式类似的研究，确定出锥度(D′-D1′)/H1的上述范围。结果就是，可确保火花塞S4′中绝缘体20的热强度，由此可防止绝缘体20出现裂纹，同时还确保了火花塞S4′的绝缘性能。

[第五实施方式]

在上面列举的实施方式中，将端面面积Q的尺寸范围限定为0.12到0.65mm²。换言之，将第二贵金属片45第二端面的直径限定在0.4到0.9mm的范围内。

在当前实施方式中，提供了一种火花塞S5，在其结构中，端面面积Q的尺寸范围为0.12到0.35mm²。端面面积Q的这一范围对应于火花塞S5第二贵金属片45第二端面的直径在0.4到0.65mm的范围内。更具体来讲，相比于前面各实施方式中的火花塞，火花塞S5的第二贵金属片45被进一步细长化了。

应当指出的是：在第一实施方式中，火花塞间隙尺寸G0.2mm的增量大致上对应于每实际行驶200000公里后火花塞间隙由于放电损耗而出现的增大量。第一实施方式中的研究(其结果表示在图4A和图4B中)是在火花塞间隙尺寸G保持0.2mm增量的前提下进行的。

因此，对于上述各实施方式中提供的火花塞，可保证具有与200000公里实际里程对应的长工作寿命。

但是，已考虑了这样的情况：未来的火花塞将希望具有与300000公里实际里程相对应的更长的工作寿命。

因此，利用FEM分析方法对端面面积Q进行了研究，以确定出甚至在火花塞间隙尺寸G增大0.3mm的情况下为抑制放电电压升高而所要求的Q值范围。

该研究的结果表示在图14中。应当指出的是：在该研究中，所测试的第二贵金属片45为圆柱状，且在图14中，被测第二贵金属片45的第二端面面积由直径、而非面积代表。另外，图14中关于电场相关强度的定义与图3中的定义相同。

该研究中所测试的火花塞的结构与火花塞S1的结构几乎完全相同，从而也可参照图1和图2对其进行描述。在这些被测试火花塞的结构中，端面面积S为0.2mm²；长度A为1.2mm；长度B为0.8mm；火花塞间隙尺寸G为1.3mm(即相对于火花塞间隙基准值G增加0.3mm)。在该研究中，对第二贵金属片45第二端面的直径进行改变，以确定出由此导致的电场相关强度的变化。

从图14可看出：如果第二贵金属片45第二端面的直径小于或等于0.65mm，换言之，如果端面面积Q等于或小于0.35mm²，则尽管火花塞间隙尺寸G的增量为0.3mm，电场的相关强度也能保持在0.9以上，从而可有效地抑制所需要放电电压由于火花塞间隙尺寸G的增大而升高。

另外，如同在第一实施方式中，将火花塞S5端面面积Q的下限限定为等于或大于0.12mm²。

因而，在本实施方式的情况下，为端面面积Q限定的数值范围为上述的0.12到0.35mm²。

总之，根据该实施方式的火花塞S5所具有的结构使第二贵金属片45进一步地细长化。具体来讲，端面面积Q的范围被限定为0.12到0.35mm²。结果就是，对于火花塞S5，可抑制需点火电压由于火花塞间隙G的增大而升高，进而防止了侧火花的产生。

因此，根据该实施方式的火花塞S5的结构可防止火花塞中产生侧火花，同时保证了火花塞在很长的工作寿命内具有良好的耐受电压性，其中的工作寿命例如对应于300000公里的行驶里程。

对于实施本发明的技术人员和本领域工程人员而言，不难理解：尽管上文对本发明的特定实施方式进行了表示和描述，但在不悖离所公开设计思想的前提下，可对本发明作多种形式的改动、变型、改进。在本领域公知意义内的这些改动、变型和改进应当被涵盖在所附权利要求书的范围内。

Claims

1、一种火花塞，其包括：

中空的金属壳体，其具有一第一端和一与第一端相反的第二端，所述金属壳体的外周面上还具有一螺纹部分，并在第一端上具有一内腔开孔，螺纹部分的外径在12到14mm的范围内；

具有一定长度的绝缘体，其具有一第一端和与第一端相反的第二端，所述绝缘体的内部也制有一个孔腔，以一定方式将所述绝缘体固定在所述金属壳体的内腔中，以使得所述绝缘体的第一端从所述金属壳体的第一端中突出；

中心电极，其被固定在所述绝缘体的孔腔内，所述中心电极的一端从所述绝缘体的第一端中突伸出；

接地电极，其具有一侧面，接地电极被接合到所述金属壳体的第一端上，以使得所述接地电极的侧面与所述中心电极的所述端部成相对的位置关系；

第一贵金属片，其具有一第一端，该第一端被接合到所述中心电极的所述端部上，并具有一第二端，其面对着所述接地电极的侧面；以及

第二贵金属片，其一第一端被接合到所述接地电极的侧面上，而第二端则面对着所述第一贵金属片的第二端，所述第二贵金属片的第二端与所述第一贵金属片的第二端分离开，从而在二者之间形成一火花塞间隙；

其中：所述第一贵金属片第二端的表面积S在0.12到0.38mm²的范围内并包含端点值；

从所述中心电极的端部到所述第一贵金属片第二端之间，第一贵金属片的长度在0.8mm到1.5mm的范围内并包含端点值；

所述第二贵金属片第二端的表面积在0.12到0.65mm²的范围内并包含端点值；

从所述接地电极的侧面到所述第二贵金属片第二端之间，所述第二贵金属片的长度在0.5mm到1.2mm之间并包含端点值；

在一基准平面上，形成所述内腔的所述金属壳体内表面与所述绝缘体外表面之间的距离L大于或等于1.5mm，所述基准平面的延伸方向垂直于所述绝缘体的长度方向，并经过所述金属壳体第一端的一内边缘；

距离L与一间距G的比值大于或等于1.25，其中，间距G为所述第一、第二贵金属片各自第二端之间火花塞间隙的间距；以及

在基准平面上，所述绝缘体的厚度大于等于0.7mm。

2、根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于：所述第二贵金属片第二端的表面积在0.12到0.35mm²的范围内并包含端点值。

3、根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于：利用激光焊方法将第一贵金属片的第一端接合到所述中心电极的端部上，且所述第一贵金属片的长度等于所述第一贵金属片第一、第二端之间的距离加上另一距离之和，所述另一距离是指所述中心电极的端部与所述第一贵金属片第一端之间的距离，该距离贯穿一焊接层，焊接层是利用激光焊接在所述中心电极与所述第一贵金属片之间形成的。

4、根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于：利用激光焊方法将所述第二贵金属片的第一端接合到所述接地电极的侧面上，且所述第二贵金属片的长度等于所述第二贵金属片第一、第二端之间的距离加上另一距离之和，所述另一距离是指所述接地电极的侧面与所述第二贵金属片第一端之间的距离，该距离贯穿一焊接层，焊接层是利用激光焊接在所述接地电极与所述第二贵金属片之间形成的。

5、根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于：所述第一贵金属片是由一种铱基合金制成的，该合金中铱的重量含量大于50％，且包括至少一种添加物，所述铱基合金的熔点大于2000摄氏度。

6、根据权利要求5所述的火花塞，其特征在于：所述的至少一种添加物是从Pt、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re、Al、Al₂O₃、Y、Y₂O₃中选出的。

7、根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于：所述第二贵金属片是由一种铂基合金制成的，该合金中铂的重量含量大于50％，且包括至少一种添加物，该合金的熔点大于1500摄氏度。

8、根据权利要求7所述的火花塞，其特征在于：所述至少一种添加物是从Ir、Rh、Ni、W、Pd、Ru、以及Re中选出的。

9、一种火花塞，包括：

中空的金属壳体，其具有一第一端和一与第一端相反的第二端，所述金属壳体的外周面上还具有一螺纹部分，并在第一端上具有一内腔开孔，螺纹部分的外径小于或等于10mm；

其中：所述第一贵金属片上一第二端的表面积在0.12到0.38mm²的范围内并包含端点值；

从所述中心电极的端部到第一贵金属片第二端之间，所述第一贵金属片的长度在0.8mm到1.5mm的范围内并包含端点值；

第二贵金属片第二端的表面积在0.12到0.65mm²的范围内并包含端点值；

从所述接地电极的侧面到所述第二贵金属片第二端之间，第二贵金属片的长度在0.5mm到1.2mm之间并包含端点值；

在一基准平面上，形成内腔的金属壳体内表面与所述绝缘体外表面之间的距离在1.2到1.6mm的范围内并包含端点值，所述基准平面的延伸方向垂直于绝缘体的长度方向，并经过金属壳体第一端的一内边缘；

所述第一、第二贵金属片各自第二端之间火花塞间隙的间距在0.4到1.0mm的范围内并包含端点值；以及

在基准平面上，所述绝缘体的厚度在0.5到0.8mm的范围内并包含端点值。

10、根据权利要求9所述的火花塞，其特征在于：在一平面上，形成所述绝缘体内腔的内表面与所述中心电极外表面之间的间隙大于0.1mm，且等于或小于0.3mm，其中，所述平面的延伸方向平行于经过所述绝缘体第一端一内边缘的所述基准平面。

11、根据权利要求9所述的火花塞，其特征在于所述绝缘体的外表面包括：

小径段，其第一端距离所述绝缘体第一端的尺寸为1mm，其第二端比第一端离所述绝缘体的第一端更远，以及

锥台段，其具有与小径段的第二端相重合的一个界面，锥台段锥向着该界面逐渐变细；

其中，所述绝缘体锥台段的锥度被定义为(D-D1)/H1，该锥度小于2.0，式中：

H1是指在所述绝缘体纵向方向上、所述金属壳体第一端与所述绝缘体锥台段界面之间的距离；

D1是指所述绝缘体锥台段在其界面处的直径；以及

D是指所述绝缘体锥台段在基准平面上的直径，D大于D1。

12、根据权利要求11所述的火花塞，其特征在于：由(D-D1)/H1代表的所述绝缘体锥台段的锥度小于/等于1.5。

13、根据权利要求9所述的火花塞，其特征在于所述绝缘体的内表面形成了该绝缘体的内腔，所述绝缘体的内表面包括：

小径段，其第一端与所述绝缘体第一端的内边缘相重合，第二端与所述绝缘体的第一端离开一定距离；以及

锥台段，其一界面与小径段的第二端相重合，该锥台段锥向着其界面逐渐变细；

其中，所述绝缘体锥台段的锥度被定义为(D′-D1′)/H1，该锥度小于2.0，式中：

D1′是指所述绝缘体锥台段在其界面处的直径；以及

D′是指所述绝缘体锥台段在基准平面上的直径，D′大于D1′。

14、根据权利要求13所述的火花塞，其特征在于：由(D′-D1′)/H1代表的所述绝缘体锥台段的锥度小于/等于1.5。

15、根据权利要求9所述的火花塞，其特征在于：所述第二贵金属片第二端的表面积在0.12到0.35mm²的范围内并包含端点值

16、根据权利要求9所述的火花塞，其特征在于：利用激光焊方法将所述第一贵金属片的第一端接合到所述中心电极的端部上，且所述第一贵金属片的长度等于所述第一贵金属片第一、第二端之间的距离加上另一距离之和，所述另一距离是指所述中心电极的端部与所述第一贵金属片第一端之间的距离，该距离贯穿一焊接层，焊接层是利用激光焊接在所述中心电极与所述第一贵金属片之间形成的。

17、根据权利要求9所述的火花塞，其特征在于：利用激光焊方法将所述第二贵金属片的第一端接合到所述接地电极的侧面上，且所述第二贵金属片的长度等于所述第二贵金属片第一、第二端之间的距离加上另一距离之和，所述另一距离是指所述接地电极的侧面与所述第二贵金属片第一端之间的距离，该距离贯穿一焊接层，焊接层是利用激光焊接在所述接地电极与所述第二贵金属片之间形成的。

18、根据权利要求9所述的火花塞，其特征在于：所述第一贵金属片是由一种铱基合金制成的，该合金中铱的重量含量大于50％，且包括至少一种添加物，该合金的熔点大于2000摄氏度。

19、根据权利要求18所述的火花塞，其特征在于：所述的至少一种添加物是从Pt、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re、Al、Al₂O₃、Y、Y₂O₃中选出的。

20、根据权利要求9所述的火花塞，其特征在于：所述第二贵金属片是由一种铂基合金制成的，该合金中铂的重量含量大于50％，且包括至少一种添加物，该合金的熔点大于1500摄氏度。

21、根据权利要求20所述的火花塞，其特征在于：所述至少一种添加物是从Ir、Rh、Ni、W、Pd、Ru、以及Re中选出的。