CN1649223A - 具有高绝缘性能和高的点燃空气－燃料混合物的能力的火花塞 - Google Patents

Abstract

本发明的火花塞包括：金属壳体，它具有外径为10mm或者更小或者等于12mm的螺纹部分、绝缘体、中心电极、及接地电极。火花塞具有改进的结构，在该改进结构中，绝缘体的端部向着从金属壳体端部伸出的端部逐渐变细，该火花塞具有一些尺寸大小参数，这些参数包括：火花塞内的火花间隙的空间G；绝缘体端部的锥度，它用端部中的外径差值(D－D0)来表示；及气穴大小T0，该气穴形成在火花塞中，这些参数中的每一个具有根据本发明人实验研究结果所确定的有效范围。该结构可以确保火花塞具有高的绝缘性能和高的点火能力。

Description

具有高绝缘性能和高的点燃空气-燃料混合物的能力的火花塞

相关申请的交叉引用

本申请要求2004年1月30日提交的日本专利申请No.2004-23015和2004年11月10日提交的No.2004-326659的优先权，这些专利申请的内容在这里引入到本申请中以作参考。

技术领域

本发明总的来讲涉及一种内燃机的火花塞。尤其地，本发明涉及一种具有改进结构的火花塞，其中金属壳体具有外径为12mm或者更小的螺纹部分。改进的结构确保火花塞具有高的绝缘性能和高的点燃空气-燃料混合物的能力(在下文中称为点火能力)。

背景技术

用在内燃机中的传统火花塞总的来讲包括管形金属壳体、绝缘体、中心电极和接地电极。

金属壳体具有螺纹部分以把火花塞安装到发动机的燃烧室中。绝缘体具有形成在其中的中心孔，并且固定在金属壳体中，以致它的端部从金属壳体的端部中伸出。中心电极如此地固定在绝缘体的中心孔内，以致它的端部从绝缘体的端部中伸出。接地电极具有顶部并且被接合到金属壳体的端部上，因此顶部通过它们之间的火花间隙而面对中心电极的端部。

近年来，需要更高的内燃机功率输出，因此需要提高发动机的进气门和排气门的尺寸大小，并且需要固定用来冷却发动机的水套。这导致，用来把火花塞安装在发动机中所需要的空间减少了，因此需要火花塞具有紧凑的结构(更加具体地说，就是细长的结构)。

具体地说，在过去，火花塞中的金属壳体的螺纹部分具有在JIS(日本工业标准)中所规定的M14的外径，但是现在，需要螺纹部分具有JIS所规定的M12或者更小的外径。

例如，日本未审的实用新型No.H5-55490公开了一种这样的紧凑火花塞。

在细长的火花塞中，气穴的容积相应地减小，气穴是位于绝缘体的外表面和金属壳体的内表面之间的绝缘空间。

绝缘体通常具有中间部分和端部分，该端部分具有从金属壳体中伸出的绝缘体端部。该端部分薄于中间部分，在这两个部分之间设置有截锥台肩。该台肩通过衬垫与金属壳体的环形座相接合，从而形成了不透气体的密封，其中该环形座形成在金属壳体的内表面上。相应地，形成在火花塞中的气穴从金属壳体的端部到下面这样位置上沿着绝缘体的纵向具有一个区域：在该位置上，绝缘体的台肩和金属壳体的环形座处于密封接合之中。

当气穴的容积减少以使火花塞细长时，可以产生“内部火花”，而不是在火花间隙内产生正常火花。这里，内部火花表示这样的火花，这些火花从火花塞的中心电极沿着绝缘体的外表面进行蔓延，并且超过形成在绝缘体和金属壳体之间的气穴而跳跃到金属壳体中。内部火花可以导致失火，从而导致发动机效率下降。

另一方面，高压缩比发动机或者稀燃发动机目前用来提高功率输出和改善燃料经济性。但是，当这种发动机的燃烧条件恶化时，碳和其它未燃烧产物将沉积在绝缘体的端部外表面上，因此产生了“积碳污脏”的问题。

当火花塞的绝缘体被积碳弄脏时，在火花塞内更加容易产生上述内部火花。这是由于，导电的碳沉积在绝缘体端部的外表面上，可以导致位于绝缘体和金属壳体之间的绝缘电阻降低。

因此，可以认为，为了防止位于绝缘体和金属壳体之间的绝缘电阻降低，故减少气穴的容积，从而减少流入到气穴内和沉积在绝缘体端部的外表面上的积碳量和其它未燃烧的产物量。

但是，在减少气穴容积的同时，即使在绝缘体端部没有被积碳弄脏时，也会如前面所述那样导致产生内部火花。

发明内容

因此，本发明的主要目的是提供一种具有改进结构的火花塞，在该改进结构中，金属壳体具有外径为12mm或者更小的螺纹部分，该改进结构可以确保火花塞具有高的绝缘性能和高的点火能力。

为此，需要防止火花塞的绝缘体受到积碳的弄脏，从而防止位于绝缘体和金属壳体之间的绝缘电阻降低，并且防止在火花塞内产生内部火花。

本发明的这些发明人认为，增大绝缘体的外表面锥度可以有效地防止碳流入到火花塞的气穴内。更加具体地说，当绝缘体的端部外表面的锥度较大时，流入到气穴内的碳碰撞在该端部的外表面上，从而改变了流动过程。其结果是，碳难以沉积在绝缘体端部的外表面上。

上面考虑导致了来自实验研究的本发明结果。

根据本发明，提供了一种火花塞，该火花塞包括：

管形的金属壳体，它具有第一端和第二端，第二端与第一端相对，金属壳体还在它的外周上具有螺纹部分，并且具有环形座，该环形座形成在金属壳体的内表面上，螺纹部分的外径为10mm或者更小；

具有一长度的中空绝缘体，它具有第一长度部分、第二长度部分和台肩，其中台肩设置在第一和第二长度部分之间，该台肩的外表面逐渐变细并且连续到第一长度部分的外表面上，绝缘体固定在金属壳体内，因此绝缘体的台肩和金属壳体的环形座通过衬垫而处于密封接合，绝缘体的第一长度部分的一个端部从金属壳体的第一端伸出；

中心电极，它固定在绝缘体中，中心电极的一个端部从绝缘体的第一长度部分的端部伸出；及

接地电极，它接合到金属壳体的第一端上，该接地电极的顶部通过火花间隙而面对中心电极的端部，

其中，

绝缘体的第一长度部分向着它的端部逐渐变细从而在第一基准平面上具有第一外径和在第二基准平面上具有第二外径，第一基准平面被限定成垂直于绝缘体的纵向延伸通过第一基准直线和第二基准直线之间的交点，其中第一基准直线在台肩的外表面上具有一部分，第二基准直线在绝缘体的第一长度部分的外表面上具有一部分，第二基准直线如此限定，以致绝缘体的第一长度部分在第二基准直线的该部分上具有最大外径，第二基准平面如此限定，以致平行于第一基准平面延伸通过金属壳体的第一端的内边缘，

其中，下面尺寸大小关系被定义成：

D-D0≥1.0mm

T0≥1.2mm，及

G≤0.9mm，在这里

D是绝缘体的第一长度部分在第一基准表面上的第一外径，

D0是绝缘体的第一长度部分在第二基准平面上的第二外径，

T0是在第二基准平面上的、位于金属壳体的内表面和绝缘体的外表面之间的距离，及

G是位于中心电极的端部和接地电极的顶部之间的火花间隙的空间距离。

如上面那样规定绝缘体的第一长度部分的外表面锥度(即D-D0)的有效范围、气穴大小(即T0)及火花塞的火花间隙(即G)的空间，可以确保火花塞的绝缘电阻，同时防止产生内部火花。

为了在火花塞内充分地抑制内部火花的产生，优选的是D-D0≥1.5mm。

为了进一步可靠地防止碳沉积在绝缘体的第一长度部分的外表面上，因此对于火花塞而言，下面尺寸大小关系优选地被定义成：

1.0mm≤(D3-D0)≤1.8mm

在这里，D3是绝缘体的第一长度部分在第三基准平面上的外径，该第三基准平面被限定成，平行于第一基准平面并且与第一基准平面相隔一个3×T0的距离以进行延伸。

出于相同的目的，还优选的是，把火花塞的下面尺寸大小关系限定成：

(D4-D0)≤0.8mm

在这里，D4是绝缘体的第一长度部分在第四基准平面上的外径，该第四基准平面被限定成，平行于第一基准平面地并且与第一基准平面相隔一个1.5×T0的距离以进行延伸。

尤其在金属壳体的螺纹部分具有等于10mm的外径时，本发明的火花塞在绝缘性能和点火能力方面具有极好的性能。

为了进一步可靠地防止碳沉积在绝缘体的第一长度部分的外表面上，因此火花塞优选的是，金属壳体的内径在从第二基准平面到第三基准平面的范围内沿着绝缘体的纵向不变或者增大。

此外，优选的是，火花塞的中心电极具有贵金属片，该金属片的端部是中心电极的末端。中心电极的贵金属片具有垂直于绝缘体的纵向的横截面，其面积为0.07-0.40mm²。

使用这种贵金属片，确保在火花塞的火花间隙内进行点火所需要的空间，同时贵金属片不能太薄以致易于磨损。

中心电极的贵金属片优选地由Ir基合金来形成，该合金具有：Ir，它的含量按重量百分比大于50％；及至少一种添加物；Ir基合金的熔点大于2000摄氏度。此外，该至少一种添加物优选地从Pt、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re、Al、Al₂O₃、Y、Y₂O₃中选择出来。

如上面那样规定贵金属片的材料，可以确保火花塞的中心电极具有较长的使用寿命。

还优选的是，火花塞的接地电极的顶部具有贵金属片，该贵金属片的横截面垂直于绝缘体的纵向，其面积为0.12-0.80mm²，并且沿着绝缘体纵向的长度为0.3-1.5mm。同时，限定出下面尺寸大小关系：

G≥0.6mm

使用接地电极的这种贵金属片，可以确保在火花塞的火花间隙内进行点火所需要的空间，同时贵金属片不能太薄以致易于磨损，因此允许火花间隙的空间G减小到0.6mm的相当小尺寸。

接地电极的贵金属片优选地由Pt基合金来形成，该合金具有：Pt，它的含量按重量百分比大于50％；及至少一种添加物；Pt基合金的熔点大于1500摄氏度。此外，该至少一种添加物优选地从Ir、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re中选择出来。

如上面那样规定接地电极的贵金属片的材料，可以确保接地电极具有较长的使用寿命。

当火花塞的结构与本发明的上述那种几乎相同但是金属壳体的螺纹部分的外径等于12mm时，根据本发明限定出下面尺寸大小关系：

D-D0≥1.4mm

T0≥1.6mm，及

G≤1.1mm，在这里

如上述那样规定外径为12mm的火花塞的尺寸大小关系，可以确保火花塞的绝缘电阻，同时防止产生内部火花。

此外，为了充分地抑制在外径为12mm的火花塞内产生内部火花，因此优选的是D-D0≥1.6mm。

相应地，本发明的火花塞的改进结构确保火花塞具有高的绝缘性能和高的点火能力。

附图说明

通过在下文中给出的详细描述和本发明优选实施例的附图来更加完全地理解本发明，但是不应该理解成把本发明限制成具体的实施例，而这些详细描述只是出于解释和理解目的来给出的。

在附图中：

图1是局部横剖视侧视图，它示出了本发明实施例的火花塞的总体结构；

图2是放大的局部横剖视侧视图，它示出了图1火花塞中的火花间隙和周围部分；

图3是曲线图，它示出了相对于不同气穴大小T0的、图1的火花塞的外径差值(D-D0)和最小绝缘电阻之间的关系，该火花塞具有外径为10mm的螺纹部分；

图4是曲线图，它示出了相对于不同气穴大小T0的、图1的火花塞的外径差值(D-D0)和内部火花产生率之间的关系，该火花塞具有外径为10mm的螺纹部分；

图5是曲线图，它示出了相对于不同气穴大小T0的、图1的火花塞的外径差值(D-D0)和最小绝缘电阻之间的关系，该火花塞具有外径为12mm的螺纹部分；

图6是曲线图，它示出了相对于不同气穴大小T0的、图1的火花塞的外径差值(D-D0)和内部火花产生率之间的关系，该火花塞具有外径为12mm的螺纹部分；

图7是曲线图，它示出了相对于不同外径差值(D-D0)的、图1火花塞的绝缘电阻沿着绝缘体纵向的改变量，该火花塞具有外径为10mm的螺纹部分；

图8是曲线图，它示出了相对于不同气穴大小T0的、图1火花塞的绝缘电阻沿着绝缘体纵向的改变量，该火花塞具有外径为10mm的螺纹部分；

图9是放大局部横剖视侧视图，它示出了图1火花塞的绝缘体端部的锥形外表面，该火花塞具有外径为10mm的螺纹部分；

图10是曲线图，它示出了相对于不同外径差值(D3-D0)的、图1的火花塞的外径差值(D4-D0)和最小绝缘电阻之间的关系，该火花塞具有外径为10mm的螺纹部分；

图11是曲线图，它示出了相对于不同外径差值(D3-D0)的、图1的火花塞的外径差值(D4-D0)和内部火花产生率之间的关系，该火花塞具有外径为10mm的螺纹部分；

图12是放大局部横剖视侧视图，它示出了火花塞的金属壳体的锥形内表面，该火花塞具有外径为10mm的螺纹部分；

图13是曲线图，它示出了与图1火花塞相比较的、图12的火花塞的最小绝缘电阻；及

图14是曲线图，它示出了与图1火花塞相比较的、图12的火花塞的内部火花的产生率。

具体实施方式

在下文中参照图1-14来描述本发明的优选实施例。

应该知道，出于清楚和理解的原因，在可能的情况下，具有相同功能的相同零件在每个附图中用相同的标号来表示。

图1示出了本发明实施例的火花塞100的总体结构。

火花塞100设计来用在机动车辆的内燃机中。通过下面方法把火花塞100安装到内燃机中：通过设置在发动机缸盖(未示出)中的螺纹孔把它安装到发动机的燃烧室(未示出)中。

如图1所示，火花塞100主要包括金属壳体10、绝缘体20、中心电极30和接地电极40。

管形金属壳体10由导电金属材料例如低碳钢形成。金属壳体10在它的外周上具有螺纹部分11，从而如上所述那样把火花塞100安装到发动机的燃烧室中。

金属壳体10的螺纹部分11的外径为12mm或者更小。这个范围与JIS(日本工业标准)中所规定的M12或者更小的范围相一致。

由氧化铝陶瓷(Al₂O₃)形成的绝缘体20固定在金属壳体10中并且部分地装在该壳体中，因此绝缘体20的端部20a从金属壳体10的端部10a中伸出，同时绝缘体20的另一端20b从金属壳体10的另一端10b中伸出。

圆柱形中心电极30由作为芯部材料的、高度传热的金属材料如Cu和作为包层材料的、高度耐热的、耐腐蚀的金属材料如Ni(镍)基合金来形成。

中心电极30固定在绝缘体20的中心孔21中，因此它与金属壳体10相电绝缘。中心电极30的一部分与绝缘体20一起包括在金属壳体10内，因此中心电极30的端部30a从绝缘体20的端部20a中伸出。

由主要包括Ni的Ni基合金形成的接地电极40是柱形，例如在这个实施例中接近L形棱柱。

接地电极40例如借助焊接而接合到金属壳体10的端部10a上。接地电极40具有包括侧表面41的顶部，该侧表面41通过火花间隙50而面对中心电极30的端部30a。

现在，参照图2，火花塞100还设置有第一贵金属片35和第二贵金属片45，这两种金属片都是圆柱形。

如图2所示，第一贵金属片35和第二贵金属片45相互隔开，从而在它们之间形成了火花间隙50。火花间隙50具有空间G，下面将描述该空间G的范围。

用作火花塞100的点火件的第一贵金属片35借助激光焊而被接合到中心电极30的端部30a上。

圆柱形第一贵金属片35的横截面垂直于它的轴线，该横截面的面积优选地为0.07-0.4mm²。

使用这种贵金属片，可以确保在火花塞100的火花间隙50内进行点火所需要的空间，同时第一贵金属片35不能太薄以致易于磨损。

第一贵金属片35优选地由Ir(铱)基合金形成，该合金包括：Ir，它的含量按重量百分比大于50％；及至少一种添加物；Ir基合金的熔点大于2000摄氏度。

此外，该至少一种添加物优选地从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)中选择出来。

如上面那样详细说明第一贵金属片35的材料，可以确保第一贵金属片35具有较长的使用寿命。

也用作火花塞100的点火件的第二贵金属片45借助激光焊而接合到接到电极40的侧表面41上。

圆柱形第二贵金属片45的横截面垂直于它的轴线，该横截面的面积优选为0.12-0.80mm²。

位于面对火花间隙50的第二贵金属片45端部和接地电极40的侧表面41之间的距离优选为0.3-1.5mm。

使用这种贵金属片，可以确保在火花塞100的火花间隙50内进行点火所需要的空间，同时第二贵金属片45不能太薄，以致易于磨损，因此允许火花塞50的空间G减少到0.6mm的相当小的尺寸大小。

第二贵金属片45优选地由Pt(铱)基合金形成，该合金包括：Pt，它的含量按重量百分比大于50％；及至少一种添加物；Pt基合金的熔点大于1500摄氏度。

此外，第二贵金属片45的该至少一种添加物优选地从Ir、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re中选择出来。

如上面那样详细说明第二贵金属片35的材料，可以确保第二贵金属片45具有较长的使用寿命。

回到图1，在金属壳体10的端部10b设置有填隙部分12，从而把绝缘体20固定到金属壳体10内。

在填隙部分12中，密封件60和61布置在金属壳体10和绝缘体20之间以进行密封。更加具体地说，在填隙部分12中，位于两个金属环60之间的空间填充有滑石61。

绝缘体20具有设置在金属壳体10中的法兰部分22，在绝缘体20中，该法兰部分的外径最大。通过法兰部分22的帮助，可以如上所述那样布置密封件60和61。

绝缘体20还具有中间部分23，该中间部分23设置在邻接法兰部分22的金属壳体10中。中间部分的外径小于法兰部分22的外径。

绝缘体20还具有端部24，该端部包括绝缘体20的末端20a。端部24的外径小于中部部分23的外径。

在中间部分23和端部24之间设置有基本上是截锥形的台肩25。如图2所示，台肩25的外表面逐渐变小并且连续到端部24的外表面中。

台肩25通过衬垫62与形成在金属壳体10内表面上的环形座13相接合，从而在火花塞100内形成不透气体的密封。衬垫62可以是金属环，例如该金属环由铁形成。这种金属环通常用在火花塞结构中。

在图2的放大视图中，其重点在于附图的圆，它示出了基准点26。基准点26定义为第一基准直线101和第二基准直线102之间的交点。第一基准直线101在台肩25的外表面上具有一部分，而第二基准直线102在端部24的外表面上具有一部分，在该部分上端部24具有最大的外径。

此外，出于解释原因，因此定义出第一基准平面201和第二基准平面202。第一基准平面201垂直于绝缘体20的纵向L地延伸通过基准点26，第二基准平面202平行于第一基准平面201地延伸通过金属壳体10的端部10a的内边缘。

在这个实施例中，如图1和2所示，绝缘体20的外径从第二基准平面202到第一基准平面201沿着绝缘体20的纵向L增大。这使得在第二基准平面202到第一基准平面201的范围内位于绝缘体20的内表面和金属壳体10的外表面之间的距离沿着方向L减少。

换句话说，绝缘体20的端部24的外表面从第一基准平面201到第二基准平面202逐渐变小，因此形成在端部24的外表面和金属壳体10的内表面之间的气穴(air pocket)相应地扩大了。

再参照图1，中心电极30的端部30b在绝缘体20的中心孔21内通过导电的玻璃密封材料70而电连接到电阻件75的端部上。

电阻件75的另一端通过玻璃密封材料70电连接到圆柱形终端电极(即杆)80的端部80a上。

终端电极80固定到绝缘体20的中心孔21中，因此它的另一端80b从绝缘体20的端部20b伸出，而点火线圈罩(boot)(未示出)固定到该端部20b上。

已经描述了所有火花塞100的主要零件，图2中的G、D、D0和T0(它们之间的关系对于火花塞100的结构极其重要)的尺寸大小参数定义如下：

G是第一贵金属片35和第二贵金属片45之间的火花间隙50的空间(在下文中称为火花间隙大小G)；

D是位于第一基准平面201上的绝缘体20的端部24的外径；

D0是位于第二基准平面202上的绝缘体20的端部24的外径；及

T0是第二基准平面202上的、位于金属壳体10的内表面和绝缘体20的外表面之间的距离(在下文中称为气穴大小T0)。

根据发明者的下面考虑来确定上面这些参数之间的关系。

为了确保火花塞100具有较高的绝缘性能和较好的点火性能，因此需要防止火花塞100的绝缘体20被积碳弄脏，因此防止位于绝缘体20和金属壳体10之间的绝缘电阻下降(在下文中称为火花塞的绝缘电阻)，并且防止在火花塞100的气穴内产生内部火花。

本发明的这些发明者认为，提高绝缘体外表面的锥度可以有效地阻止碳流入到火花塞的气穴内。

更加具体地说，当绝缘体20的端部24的外表面高度变小时，流入到气穴内的碳将碰撞端部24的外表面，从而改变流动过程。其结果是，碳难以沉积到绝缘体20的端部24的外表面上。

对于火花塞100而言，沿着绝缘体20的纵向L的、位于第一基准平面201和第二基准平面202之间的距离由于各种各样的物理或者尺寸大小的限制而通常落入某一范围内，例如10-15mm。

相应地，火花塞100内的绝缘体端部24的外表面的锥度可以只用外径差值(D-D0)来表示。

根据发明者的试验结果来确定外径差值(D-D0)的有效范围和火花塞100内的气穴大小T0。

应该注意的是，下面所示出的实验结果特别适合于这样的火花塞100：该火花塞具有外径为10mm的金属壳体10的螺纹部分11；但是实验证明，在下面这样的火花塞100中可以观察到相同的趋势和类似结构：在该火花塞中，外径小于10mm(例如8mm)或者等于12mm。

为这种实验制造了11种不同类型S1-S11的样品火花塞。每种火花塞的上述参数的详细值给出在表1中。

在上面这些样品火花塞类型之中，S11这种使金属壳体10的螺纹部分11的外径等于14mm(等于JIS中所规定的M14)。这种火花塞是具有典型技术规格的传统那种，这些技术规格包括1.1mm火花间隙大小G，这种火花塞在市场中得到了考验。

其它样品火花塞S1-S10中的每一种使螺旋部分11的外径等于10mm；换句话说，它们中的全部是细长的。

                    表1

                 (单位：mm)

类型      D          D0         D-D0       T0

S1        3.8        2.8        1.0        1.6

S2        5.0        2.8        2.2        1.6

S3        3.8        3.2        0.6        1.4

S4        4.2        3.2        1.0        1.4

S5        4.6        3.2        1.4        1.4

S6        5.0        3.2        1.8        1.4

S7        3.8        3.6        0.2        1.2

S8        4.2        3.6        0.6        1.2

S9        5.0        3.6        1.4        1.2

S10       5.0        4.0        1.0        1.0

S11       6.8        5.4        1.4        1.8

对于所有的细长样品火花塞而言，沿着绝缘体20的纵向L位于第一基准平面201和第二基准平面202之间的距离是11mm；火花间隙大小G是0.9mm，该值小于气穴尺寸T0从而可以防止产生内部火花。相对于S11的传统火花塞来评价这些细长的样品火花塞。

在实验中，使用具有四缸的实验车辆来对样品火花塞S1-S11进行实验，因此类型相同的、四个相同的样品火花塞以相同情况安装在实验车辆中。

在下面实验情况下进行实验：即实验车辆的大气温度、水温度和油温度中的每一个保持在20摄氏度，并且在每个循环中，所施加的驱动模式连续地使在10km/h-20km/h范围内的车辆加速和减速重复十次。这种驱动模式是这样的模式，它可以使安装在车辆中的火花塞的绝缘体容易被积碳弄脏。

在根据该驱动模式来驱动实验车辆五个循环之后，计算每个样品火花塞的绝缘电阻和内部火花的产生率。更大的绝缘电阻意味着，更小的碳流入到火花塞内的气穴内部，内部火花的产生率较小表示，使用这种火花塞可以实现更好的燃烧。

具体地说，在完成五个驱动循环之后，用绝缘电阻测量计来测量绝缘电阻，同时借助观察在五个驱动循环期间所产生的火花的波型来确定内部火花的产生率。

图3示出了每个样品火花塞的最小绝缘电阻，其中在第二基准平面202到第一基准平面201的范围内沿着绝缘体20的纵向L来测量该电阻。

在附图中，水平轴线表示外径差值(D-D0)，它表示绝缘体端部24的外表面锥度，而垂直轴线表示合成最小绝缘电阻，其中样品火花塞S1和S2的图案◆具有1.6mm的T0，S3-S6的图案□具有1.4mm的T0，S7-S9的图案○具有1.2mm的T0，S10的图案具有1.0mm的T0，及S11的图案×具有1.8mm的T0。

此外，表示130M(它等于具有传统型S11的样品火花塞的最小绝缘电阻)的基准绝缘电阻的边界线也示出在图3中以进行比较评价。

图4示出了不同样品火花塞的内部火花的产生率的确定结果。

在附图中，水平轴线表示外径差值(D-D0)，而垂直轴线表示内部火花的合成产生率，其中不同的图案以与图3相同的方式来表示不同样品火花塞。为了进行比较评价，表示30％的内部火花的基准产生率的边界线也示出在图4中，该基准产生率与具有传统型S11的样品火花塞中的内部火花的产生率相等。

从图3和4中可以看到，型号S10的样品火花塞(它的气穴大小T0为1.0mm)的性能在最小绝缘电阻和内部火花产生率这两者上次于传统型S11的性能。

此外，从这些附图中还可以看到，就S1、S2、S4-S6和S9的样品火花塞的任一种而言(在它们中的每一个中，气穴大小T0不小于1.2mm，外径差值(D-D0)不小于1.0mm)，最小绝缘电阻大于130M的标准值，并且内部火花的产生率小于30％的标准值。

相应地，通过在火花塞100内规定尺寸大小参数D、D0、T0和G之间的下面关系，可以确保火花塞100具有高的绝缘性能和高的点火性能：

D-D0≥1.0mm

T0≥1.2mm，及

G≤0.9mm。

此外，为了充分地抑制在火花塞100内产生内部火花，因此优选的是D-D0≥1.5mm。

此外，为了确保火花塞100具有较高的承受电压，因此需要确保绝缘体端部24具有足够大的径向厚度。同时，金属壳体10也需要具有足够大的径向厚度，从而允许接地电极40接合到那里。

考虑到这些要求，因此优选的是，火花塞100的气穴大小T0不大于1.6mm。

通过下面这样的样品火花塞100来得到上面实验结果：该火花塞具有外径为10mm的金属壳体10的螺纹部分11。如前面所述那样，通过下面这样的实验也可以得到相同的趋势和类似结构：在该实验中，对具有外径为12mm的螺纹部分11的样品火花塞100进行实验。

图5和6示出了实验结果。应该注意的是，在该实验上进行测试的样品火花塞具有不同的气穴大小T0和外径差值(D-D0)，但是1.1mm的相同火花间隙大小G等于上述传统型S11的火花间隙大小G。

从图5和6中可以看到，为了确保具有外径为12mm的螺纹部分11的火花塞100具有高的绝缘性能和高的点火性能，因此火花塞100需要规定下面尺寸大小关系，

D-D0≥1.4mm

T0≥1.6mm，及

G≤1.1mm。

此外，为了充分地抑制在火花塞100内产生内部火花，因此优选的是D-D0≥1.5mm。

现在，回到图3和4，对于具有1.4mm的相同气穴大小T0的S3-S6的样品火花塞而言，通过更大的外径差值(D-D0)来得到更大的最小绝缘电阻和更小的内部火花产生率。

为了在火花塞100的绝缘性能上进一步研究绝缘体端部24的外表面形状的效果，因此更加详细地测量火花塞100的绝缘电阻。

具体地说，在火花塞中，从第二基准平面202开始，沿着绝缘体20的纵向L，以1mm的间隔测量S3-S6的样品火花塞的绝缘电阻，在所有这些火花塞中，气穴大小T0为1.4mm，火花间隙大小G为0.9mm。

图7示出了测量结果。在该附图中，水平轴线表示测量平面距离第二基准平面202沿着绝缘体20的纵向L的距离，而垂直轴线表示所测得的绝缘电阻，其中样品火花塞S3的图案◆具有0.6mm的外径差值(D-D0)，S4的图案□具有1.0mm的(D-D0)，S5的图案△具有1.4mm的(D-D0)，及S6的图案○具有1.8mm的(D-D0)。

如从图7中所看到的一样，对于每个样品火花塞而言，绝缘电阻沿着绝缘体20的纵向L增大，换句话说，绝缘电阻在火花塞的气穴内的更深位置上可以保持更大的值。

具体地说，在外径差值(D-D0)小于1.0mm的、S3的样品火花塞的情况下，绝缘电阻沿着绝缘体20的纵向L非常缓慢地增大。这意味着，碳已深深地流入到火花塞的气穴内，并且沉积到绝缘体端部24的外表面上。

相反，在外径差值(D-D0)不小于1mm的S4-S6的样品火花塞的情况下，绝缘电阻沿着绝缘体20的纵向L快速增大。这意味着碳没有深深地流入到火花塞的气穴中，因此可以产生更少的内部火花。

此外，除了S3-S6的上面样品火花塞之外，对S2和S9的样品火花塞而言，从第二基准平面202开始，沿着绝缘体20的纵向L以1mm的间隔来测量绝缘电阻。

图8比较地示出了S6的样品火花塞的测量结果。在该图中，水平轴线表示测量平面距离第二基准平面202沿着绝缘体20的纵向L的距离，而垂直轴线表示所测得的绝缘电阻，其中样品火花塞S2的图案◆具有1.6mm的气穴大小T0，S6的图案○具有1.4mm的T0，及S9的图案△具有1.2mm的T0。

从图8中可以看到，对于具有不同气穴大小T0的所有这些样品火花塞而言，绝缘电阻从第二基准平面202开始增大，并且在测量平面上达到相当大的值，该测量平面平行于第二基准平面202并且与之相距3mm。换句话说，沿着绝缘体20的纵向L与第二基准平面202相隔开的距离超过3×T0的绝缘体端部24的外表面区域不易被碳弄脏。

根据上面结果，进行另一个研究来确定在从第二基准平面202到第三基准平面203的范围内的绝缘体端部24的外表面锥度的合适范围，以防止碳沉积在绝缘体端部24的外表面上。如图9所示，第三基准平面203被定义成平行于第二基准平面202进行延伸，并且沿着绝缘体20的纵向L与第二基准平面202隔开一个3×T0的距离。

在图9中，还示出了第四个基准平面204，该平面被定义成平行于第二基准平面202地进行延伸，并且沿着绝缘体20的纵向L与第二基准平面202隔开一个1.5×T0的距离。绝缘体端部24各自在第三和第四基准平面203和204上具有外径D3和外径D4。在第三基准平面203上的、位于绝缘体端部24的外表面和金属壳体10的内表面之间的距离设定为T3，而第四基准平面204上的设定为T4。

相应地，在从第二基准平面202到第三基准平面203的范围内的、绝缘体端部24的外表面锥度可以用(D3-D0)来表示，在从第二基准平面202到第四基准平面204的范围内的可以用(D4-D0)来表示。

使用七个不同类型S6和S61-S66的样品火花塞来进行实验。这些样品火花塞对于一些尺寸大小的参数具有相同值，如气穴大小T0为1.4mm，外径D0是3.2mm，外径D是5.0mm，并且火花间隙大小G为0.9mm。同时，这些样品火花形成为在尺寸大小参数D3、D4、T3和T4中的至少一个中彼此不相同。每个样品火花塞的这些参数的详细值在表2中给出。

在相同的实验条件下并且以与S1-S11的样品火花塞相同的方式来为这些样品火花塞测量和确定最小绝缘电阻和内部火花的产生率。

图10示出了这些样品火花塞的最小绝缘电阻的测量结果。

在附图中，水平轴线表示外径差值(D4-D0)，而垂直轴线表示合成最小绝缘电阻，其中样品火花塞S6和S63的图案◆具有0.8mm的外径差值(D3-D0)，S61和S65的图案□具有1.3mm的(D3-D0)，及S62、S64和S66的图案△具有1.8mm的(D3-D0)。

                    表2

                (单位：mm)

类型       D0       D3       D3-D0     D4       D4-D0    T3      T4

S6         3.20     4.00     0.80      3.60     0.40     1.00    1.20

S61        3.20     4.50     1.30      3.60     0.40     0.75    1.20

S62        3.20     5.00     1.80      3.60     0.40     0.50    1.20

S63        3.20     4.00     0.80      4.00     0.80     1.00    1.00

S64        3.20     5.00     1.80      4.00     0.80     0.50    1.00

S65        3.20     5.0      1.30      4.50     1.30     0.75    0.75

S66        3.20     3.8      1.80      5.00     1.80     0.50    0.50

此外，表示130M的基准绝缘电阻的边界线也表示在图10中，以进行比较评价。

如图10中所看到的那样，所有样品火花塞相对于传统型S11的样品火花塞具有更好的绝缘性能，其中该传统型S11的样品火花塞的最小绝缘电阻用作130M的标准值。

图11示出了这些样品火花塞的内部火花的产生率的确定结果。

在附图中，水平轴线表示外径差值(D4-D0)，而垂直轴线表示内部火花的合成产生率，其中不同图案以与图10相同的方式来表示不同的样品火花塞。表示30％的内部火花的基准产生率的边界线也表示在图11中以进行比较评价。

如从图1 1中所看到的一样，在S64-S66的样品火花塞中，内部火花的产生率超过30％的标准值，这些火花塞中的每一个具有大的(D3-D0)和大的(D4-D0)。这是由于，当外径D3和D4较大时，位于绝缘体端部24的外表面和金属壳体10的内表面之间的距离T3和T4相应地变小了，因此在火花塞内产生了更多的内部火花。

相应地，从图10和1 1所示出的实验结果中可以清楚地知道，对于火花塞100而言，外径差值(D3-D0)优选地不大于1.8mm，而外径差值(D4-D0)优选地不大于0.8mm，从而确保足够的绝缘电阻并且有效地抑制内部火花的产生。

此外，当外径D3大于绝缘体端部24中的外径D时，不可能把绝缘体20安装到金属壳体10中。因此，需要火花塞100满足D3≤D的尺寸大小关系。

而且，对于火花塞10来讲，优选的是，外径差值(D3-D0)不小于1.0mm，因此允许前面规定的D-D0≥1.0mm的尺寸大小关系完全得到满足(因为D3≤D)。

相应地，除了前面规定的尺寸大小关系之外，优选的是，进一步规定火花塞100的下面关系：

1.00mm≤D3-D0≤1.8mm；及

D4-D0≤0.8mm

除了绝缘体端部24的外表面的形状作用之外，这些发明人还研究了金属壳体10的内表面形状对绝缘电阻和火花塞10的内部火花的产生率的影响。

制造出S67型的样品火花塞(它以上述S61型为基础来设计的)来进行实验。样品火花塞S67的尺寸大小参数的详细值给出在表3中，而金属壳体10的端部和具有S67型的样品火花塞的绝缘体20示出在图12中。

在这种样品火花塞中，金属壳体10的内径从具有金属壳体10的端部10a的第二基准平面202到第三基准平面203沿着绝缘体20的纵向L减小，如图12所示。换句话说，金属壳体10的内表面在第二基准平面202到第三基准平面203的范围内逐渐变小。同时，绝缘体端部24的外表面锥度在从第二基准平面202到第三基准平面203的相同范围内等于0。

                    表3

                (单位：mm)

类型       D3     D4      T3        T4

S67        3.2    3.2     0.8       1.2

更加具体地说，借助使金属壳体10的内表面逐渐变小而不是使绝缘体端部24的外表面逐渐变小，把S67的样品火花塞设计成具有与S61的原型相同的T3和T4值，而这些值T3和T4各自是在第三基准平面203和第四基准平面204上的、位于金属壳体10的内表面和绝缘体端部24的外表面之间的距离。

在与上述那些样品火花塞相同的实验条件下并且以相同的方式来为S67的样品火花塞测量和确定最小绝缘电阻和内部火花的产生率。

图13示出了测量出的样品火花塞S67的最小绝缘电阻与S61的样品火花塞的比较。在附图中，图案◆表示S61的样品火花塞的最小绝缘电阻，而图案○表示S67的样品火花塞的最小绝缘电阻。此外，表示130M的基准绝缘电阻的边界线也示出在相同的附图中。

如从图13中所看到的一样，S67的样品火花塞的最小绝缘电阻大于标准绝缘电阻，但是明显小于S61的样品火花塞的绝缘电阻。

图14示出了确定的S67的样品火花塞的内部火花的产生率与S61的样品火花塞的比较。在附图中，不同图案以与图13相同的方式来表示两个样品火花塞的值。表示30％的标准值的边界线也示出在相同的附图中。

如图14中所看到的一样，S67的样品火花塞的内部火花的产生率小于30％的标准值，但是明显大于S61的样品火花塞的产生率，该产生率等于0。

相应地，尽管两个样品火花塞具有相同的T3和T4的值，但是S67的样品火花塞在绝缘性能和点火能力方面上的性能变得次于S61的样品火花塞。

这可以归因于这样的事实：在是S67的样品火花塞的情况下，流入到气穴中的碳将碰撞金属壳体10的锥形内表面，并且改变流动过程以朝向绝缘体端部24的外表面，因此更加容易沉积在外表面上。

因此，对于火花塞100而言，优选的是，金属壳体10的内径在从第二基准平面202到第三基准平面203的范围内沿着绝缘体20的纵向L不变或者增大。

总之，本发明的火花塞100具有改善的结构，该改善结构的特征在于，包括火花间隙大小G、绝缘体20的端部24在第一和第二基准平面201和202上的外径D和D0、及气穴大小T0在内的尺寸大小参数满足下面尺寸大小关系：

如果金属壳体10的螺纹部分11的外径等于或者小于10mm，那么

D-D0≥1.0mm

T0≥1.2mm；及

G≤0.9mm

其它，如果螺纹部分11的外径等于12mm，那么

D-D0≥1.4mm

T0≥1.6mm；及

G≤1.1mm

改进过的结构确保火花塞100具有高的绝缘性能和高的点火能力。

尽管示出和描述了本发明的上面这些特殊实施例，但是实现本发明的这些人和本领域普通技术人员都知道，在没有脱离公开原理的精神实质的情况下可以对本发明进行各种改进、改变和改善。

例如，在前面实施例中，第一和第二贵金属片35和45借助激光焊可以各自被接合到中心电极和接地电极30和40上。

但是，也可以使用其它接合方法，如电阻焊接、等离子体焊接和胶粘接合。

而且，在前面实施例中具有圆柱形形状的这两种贵金属片35和45也可以具有棱柱形。

此外，中心电极30和接地电极40可以各自没有两个贵金属片35和45。

此外，除了在前面实施例中所规定的主要尺寸大小关系之外，其它详细的尺寸大小范围和/或关系在设计火花塞100时可以得到合适的改进或者改变。

在本领域内的这些改进、改变和改善通过附加的权利要求来包括。

Claims (25)

1.一种火花塞，该火花塞包括：

管形的金属壳体，具有第一端和第二端，第二端与第一端相对，所述金属壳体还在它的外周上具有螺纹部分，并且具有环形座，该环形座形成在所述金属壳体的内表面上，螺纹部分的外径为10mm或者更小；

具有一长度的中空绝缘体，其具有第一长度部分、第二长度部分和台肩，其中台肩设置在第一和第二长度部分之间，该台肩的外表面逐渐变细并且连续到第一长度部分的外表面上，所述绝缘体固定在所述金属壳体内，因此所述绝缘体的台肩和所述金属壳体的环形座通过衬垫而处于密封接合，所述绝缘体的第一长度部分的一个端部从所述金属壳体的第一端伸出；

中心电极，其固定在所述绝缘体中，所述中心电极的一个端部从所述绝缘体的第一长度部分的端部伸出；及

接地电极，其接合到所述金属壳体的第一端上，所述接地电极具有通过火花间隙而面对所述中心电极的端部的顶部，

其中，

所述绝缘体的第一长度部分向着它的端部逐渐变细从而在第一基准平面上具有第一外径和在第二基准平面上具有第二外径，第一基准平面被限定成垂直于所述绝缘体的纵向延伸通过第一基准直线和第二基准直线之间的交点，其中第一基准直线在台肩的外表面上具有一部分，第二基准直线在所述绝缘体的第一长度部分的外表面上具有一部分，第二基准直线如此限定，以致所述绝缘体的第一长度部分在第二基准直线的该部分上具有最大外径，第二基准平面如此限定，以致平行于第一基准平面延伸通过所述金属壳体的第一端的内边缘，

其中限定出下面尺寸大小关系：

D-D0≥1.0mm

T0≥1.2mm，及

G≤0.9mm，在这里

D是所述绝缘体的第一长度部分在第一基准表面上的第一外径，

D0是所述绝缘体的第一长度部分在第二基准平面上的第二外径，

T0是在第二基准平面上的、位于所述金属壳体的内表面和所述绝缘体的外表面之间的距离，及

G是位于所述中心电极的端部和所述接地电极的顶部之间的火花间隙的空间距离。

2.如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，限定出下面尺寸大小关系：

D-D0≥1.5mm。

3.如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，限定出下面尺寸大小关系：

1.0mm≤(D3-D0)≤1.8mm

在这里，D3是所述绝缘体的第一长度部分在第三基准平面上的外径，该第三基准平面被限定成平行于第一基准平面并且与第一基准平面相隔一个3×T0的距离以进行延伸。

4.如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，限定出下面尺寸大小关系：

(D4-D0)≤0.8mm

在这里，D4是所述绝缘体的第一长度部分在第四基准平面上的外径，该第四基准平面被限定成平行于第一基准平面并且与第一基准平面相隔一个1.5×T0的距离以进行延伸。

5.如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述金属壳体的螺纹部分具有等于10mm的外径。

6.如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述金属壳体的内径在从第二基准平面到第三基准平面的范围内沿着所述绝缘体的纵向不变，其中第三基准平面被限定成平行于第一基准平面并且与第一基准表面相距一个3×T0的距离以进行延伸。

7.如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述金属壳体的内径在从第二基准平面到第三基准平面的范围内沿着所述绝缘体的纵向增大，其中第三基准平面被限定成平行于第一基准平面并且与第一基准表面相距一个3×T0的距离以进行延伸。

8.如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述中心电极包括贵金属片，该金属片的端部是中心电极的末端，所述中心电极的贵金属片具有垂直于所述绝缘体的纵向的横截面，其面积为0.07-0.40mm²。

9.如权利要求8所述的火花塞，其特征在于，所述中心电极的贵金属片由Ir基合金来形成，该合金具有：Ir，它的含量按重量百分比大于50％；及至少一种添加物；Ir基合金的熔点大于2000摄氏度。

10.如权利要求9所述的火花塞，其特征在于，该至少一种添加物从Pt、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re、Al、Al₂O₃、Y、Y₂O₃中选择出来。

11.如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述接地电极的顶部包括贵金属片，该贵金属片具有垂直于所述绝缘体的纵向的横截面，其面积为0.12-0.80mm²，并且沿着所述绝缘体纵向的长度为0.3-1.5mm，其中限定出下面尺寸大小关系：

G≥0.6mm。

12.如权利要求11所述的火花塞，其特征在于，所述接地电极的贵金属片由Pt基合金来形成，该合金具有：Pt，它的含量按重量百分比大于50％；及至少一种添加物；Pt基合金的熔点大于1500摄氏度。

13.如权利要求12所述的火花塞，其特征在于，该至少一种添加物从Ir、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re中选择出来。

14.如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，沿着所述绝缘体纵向的、位于第一和第二基准平面之间的距离为10-15mm。

15.如权利要求14所述的火花塞，其特征在于，沿着所述绝缘体纵向的、位于第一和第二基准平面之间的距离为11mm。

16.一种火花塞，该火花塞包括：

管形的金属壳体，具有第一端和第二端，第二端与第一端相对，所述金属壳体还在它的外周上具有螺纹部分，并且具有环形座，该环形座形成在所述金属壳体的内表面上，螺纹部分的外径为12mm；

具有一长度的中空绝缘体，其具有第一长度部分、第二长度部分和台肩，其中台肩设置在第一和第二长度部分之间，该台肩的外表面逐渐变细并且连续到第一长度部分的外表面上，所述绝缘体固定在所述金属壳体内，因此所述绝缘体的台肩和所述金属壳体的环形座通过衬垫而处于密封接合，所述绝缘体的第一长度部分的一个端部从所述金属壳体的第一端伸出；

中心电极，它固定在所述绝缘体中，所述中心电极的一个端部从所述绝缘体的第一长度部分的端部伸出；及

接地电极，它接合到所述金属壳体的第一端上，所述接地电极的顶部通过火花间隙而面对所述中心电极的端部，

其中，

所述绝缘体的第一长度部分向着它的端部逐渐变细从而在第一基准平面上具有第一外径和在第二基准平面上具有第二外径，第一基准平面被限定成垂直于所述绝缘体的纵向延伸通过第一基准直线和第二基准直线之间的交点，其中第一基准直线在台肩的外表面上具有一部分，第二基准直线在所述绝缘体的第一长度部分的外表面上具有一部分，第二基准直线如此限定，以致所述绝缘体的第一长度部分在第二基准直线的该部分上具有最大外径，第二基准平面如此限定，以致平行于第一基准平面延伸通过所述金属壳体的第一端的内边缘，

其中限定出下面尺寸大小关系：

D-D0≥1.4mm

T0≥1.6mm，及

G≤1.1mm，在这里

D是所述绝缘体的第一长度部分在第一基准表面上的第一外径，

D0是所述绝缘体的第一长度部分在第二基准平面上的第二外径，

T0是在第二基准平面上的、位于所述金属壳体的内表面和所述绝缘体的外表面之间的距离，及

G是位于所述中心电极的端部和所述接地电极的顶部之间的火花间隙的空间距离。

17.如权利要求16所述的火花塞，其特征在于，限定出下面尺寸大小关系：

D-D0≥1.6mm。

18.如权利要求16所述的火花塞，其特征在于，所述金属壳体的内径在从第二基准平面到第三基准平面的范围内沿着所述绝缘体的纵向不变，其中第三基准平面被限定成平行于第一基准平面并且与第一基准表面相距一个3×T0的距离以进行延伸。

19.如权利要求16所述的火花塞，其特征在于，所述金属壳体的内径在从第二基准平面到第三基准平面的范围内沿着所述绝缘体的纵向增大，其中第三基准平面被限定成平行于第一基准平面并且与第一基准表面相距一个3×T0的距离以进行延伸。

20.如权利要求16所述的火花塞，其特征在于，所述中心电极具有贵金属片，该金属片的端部是中心电极的末端，所述中心电极的贵金属片具有垂直于所述绝缘体的纵向的横截面，其面积为0.07-0.40mm²。

21.如权利要求20所述的火花塞，其特征在于，所述中心电极的贵金属片由Ir基合金来形成，该合金具有：Ir，它的含量按重量百分比大于50％；及至少一种添加物；Ir基合金的熔点大于2000摄氏度。

22.如权利要求21所述的火花塞，其特征在于，该至少一种添加物从Pt、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re、Al、Al₂O₃、Y、Y₂O₃中选择出来。

23.如权利要求16所述的火花塞，其特征在于，所述接地电极的顶部具有贵金属片，该贵金属片具有垂直于所述绝缘体的纵向的横截面，其面积为0.12-0.80mm²，并且沿着所述绝缘体纵向的长度为0.3-1.5mm，其中限定出下面尺寸大小关系：

G≥0.6mm。

24.如权利要求23所述的火花塞，其特征在于，所述接地电极的贵金属片由Pt基合金来形成，该合金具有：Pt，它的含量按重量百分比大于50％；及至少一种添加物；Pt基合金的熔点大于1500摄氏度。

25.如权利要求24所述的火花塞，其特征在于，该至少一种添加物从Ir、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re中选择出来。

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