CN1756011B - 火花塞及其制造方法 - Google Patents

Abstract

火花塞，具有在壳体中的绝缘体，该壳体在装配状态下在第一横截面减小的区段与第二横截面减小的区段之间将一个力作用在绝缘体的台阶上。壳体至少在刀具附件(17)和外螺纹(13)之间的区域中借助于热处理来缩短长度，并在该区域中具有无凹口的外部轮廓。还提出制造这种火花塞的方法，其步骤为：将绝缘体放入到壳体中，直到靠触到壳体的一个横截面减小的区段上；将壳体的至少一个环绕着绝缘体的局部区域加热到大约300℃至大约450℃的温度；在壳体的背离气缸头的区域中，构造出另一个横截面缩小的区段；冷却壳体，使得绝缘体通过壳体的收缩被气密地安置于其中。

Description

火花塞及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种与内燃机的气缸头相连接的火花塞。

本发明还涉及一种制造火花塞的方法。

背景技术

由DE 100 36 008 A1例如已公开了前面所述类型的火花塞。为了夹持绝缘体，一个金属壳体的卷边边缘作用于一个陶瓷绝缘体的一个台阶上，其方式是将绝缘体夹持在卷边边缘和一个密封面之间。

通常应用于火花塞中的陶瓷，当温度从室温升高到200℃时，显示出来的热膨胀量大约为1.2μm/mm。与此不同，在这样的温度升高中，钢的热膨胀量为2.2μm/mm。由于陶瓷与钢之间热膨胀量的这种显著差别，在火花塞加热时，壳体的膨胀高于绝缘体，因此在高的温度下，绝缘体不再被固定地夹紧于壳体中，这样，绝缘体可能在密封元件的区域中松动，从而使火花塞的密封性变差。

然而，为了保证火花塞的功能，不能有马达气体在火花塞壳体与火花塞的陶瓷绝缘体之间逸出，以避免发生诸如压缩损失。陶瓷绝缘体必须密封地装配于火花塞壳体中，使得在运行中出现的压力条件和温度升高情况下仍保证具有气密性。

为此，例如已公开了在所谓热装配的范围内，将陶瓷绝缘体安置在火花塞壳体上后，将一个具有逐渐减小的横截面、一个所谓的切槽或者收缩切槽的收缩区域通过电流加热到比如说950℃。在加热过程中，在该区域中在火花塞壳体上作用压力，并且将火花塞壳体压在陶瓷绝缘体上。在切断电流后，壳体冷却并收紧在绝缘体上。这里，形成了壳体与绝缘体之间的气密性连接，它是通过两个构件的轴向卡紧来实现的。

另外还公开了，为了防止火花塞壳体发生腐蚀，它上面额外地设有一个Ni或者Ni合金的壳体涂层。这类Ni涂层在热装配中所加热到的如950℃的温度下还算稳定，不过从红锈(Rotrost)形成的角度看，它们不具有最佳的抗腐蚀保护能力。

Zn或Zn合金的壳体涂层虽然可以提供显著改善的相对于红锈的抗腐蚀保护，不过，在热收缩时，在收缩凹口所在区域中会燃烧掉，因此在该区域中不再能保证抗腐蚀性。因此，Zn或Zn合金的壳体涂层不适用于热装配。

在EP 1 341 281 A2中给出的解决方案是：在壳体与绝缘体之间安放一个矿物质的密封包，主要是滑石(具有或者没有金属环)，并通过壳体上部的卷边使其被挤压。这里，壳体还要额外地在一个为此所需的、逐渐变细的横截面的区域中、即所谓的凹口区域中进行冷墩压，通过径向力作用成形到壳体中。火花塞壳体的气密性通过密封包的轴向和径向夹紧来实现。

不论是上面刚刚提到的冷装配、还是稍前所述的所谓热装配，由于其过程中所必需的横截面的缩小或者是凹口，都造成应力集中，它在该区域中会产生应力腐蚀裂纹。此外，壳体强度也因为横截面减小而受到不利影响。

本发明的目的是：提供一种火花塞及其制造方法，由此使诸如Zn或Zn合金这样的抗腐蚀壳体涂层得以应用，减少壳体上的应力集中，并使壳体的刚性能够适匹不同的、尤其是大的夹入长度(Einspannlaengen)。

发明内容

按照本发明，提出了与内燃机的气缸头相连接的火花塞，其中，一个绝缘体安置于壳体内，该壳体在装配了的状态下在其背离气缸头的区域中的一个第一横截面减小的区段与在其朝向气缸头的区域中的一个第二横截面减小的区段之间将一个沿着火花塞的纵向的力作用在绝缘体的所配置的台阶上，来实现绝缘体与壳体之间的气密性密封，并且，其中在壳体上构造了一个工具配合部和一个设计用于与气缸头连接的外螺纹，其中，壳体至少在工具配合部与外螺纹之间的区域中借助于热处理来缩短长度，并且在该区域中具有无凹口的外部轮廓。

借助于本发明的火花塞的构造，其中壳体的外侧制作成无缩腰或凹口的，避免在壳体的横截面区域中产生应力集中，这样，其外部轮廓能够通过挤压技术制得的壳体，由于在整个横截面上的应力很低，故此壳体不容易发生应力腐蚀裂纹。

这里，“凹口”是指一个在传统的壳体中公知的、径向上在外部轮廓中环绕的横截面收缩结构，它可以通过例如车削构造成沟状或者槽状。这样的凹口，通常其深度至少达到壳体壁厚的至少25％，而且它的宽度至少在外部轮廓上至少与凹口的深度相符。

在本发明的火花塞中，壳体的刚度可在壳体横截面上有目的地调节，这样可以实现不同的、尤其是大的夹入长度。

通过壳体的长度缩短而由壳体在绝缘体上施加沿着火花塞的纵向的力，这样，有利地确保了进行密封所必需的力不必要从外部施加并始终维持其存在、而是由壳体本身产生。

从加工的角度看，壳体为没有凹口的构造，因而具有的优点是：在经过合适的挤压方法后能够省掉后续加工。

此外，本发明火花塞的构造中因弃用了凹口，允许壳体上的工具配合部、如一个六角螺母，具有较长的构造，因此使装配容易完成，并且显著地降低了装配工具在将火花塞拧进、拧出时发生倾斜的危险性。

在一种简单的构造中，壳体与绝缘体之间的密封可以构造成绝缘体的密封面与壳体的密封面之间的接触，其中，这些密封面最好构造于壳体的横截面减小的区段和绝缘体的与之相关联的台阶上。附加的密封面不是必不可少的，不过也可以额外地设置。

替换地，壳体与绝缘体之间的密封，也可以借助一个位于绝缘体的密封面和壳体的密封面之间的密封元件来构造，其中密封元件尤其可以构造为一个金属环。

根据所选用的密封和其结构，可以使壳体向绝缘体额外地施加一个径向朝内的作用力，使得绝缘体的密封面被压到壳体的密封面或者密封元件上，并因此使绝缘体在壳体内达到气密性的密封，从而具有优点。这个由壳体沿着径向朝内作用于绝缘体上的力可以例如通过壳体的周长减小而施加上。

具有特别优点的方式是：当热处理为热收缩时，壳体的长度和/或者周长能够按照希望减小。其中，火花塞的壳体或者它的部分区域被加热、并通过接下来的冷却“收紧”于绝缘体上。

为了在冷却后的状态下还能额外地支持密封作用，可以设置一个机构，它在绝缘体上施加一个沿着火花塞纵向的额外的作用力。这里，该机构可以是一个圆柱形弹簧、一个盘形弹簧、一个弯曲弹簧或类似的弹簧元件。替代地，该机构也可以是一个补偿元件，它具有比壳体更高的热膨胀系数，当温度升高时，它在绝缘体上施加一个额外的、沿着火花塞纵向的作用力。

根据本发明的一个有利的实施例，该机构在火花塞的纵轴线方向上安置于壳体的横截面减小区段和绝缘体的配置的台阶凸缘之间。而在机构与壳体的横截面减小区段之间，和/或者在机构与绝缘体的台阶之间，可以附加地、或者替代性地设置至少一个环形元件。

在其背离气缸头的区域中，壳体的横截面减小区段在一种简单的实施方式中可以是一个卷边边缘，它构造在壳体上边缘上。

绝缘体的与壳体的横截面减小的区段相配合的台阶可以根据应用情况构造为一个台阶状的横截面变化、或者是锥状的横截面变化。

为了保护壳体免受腐蚀，在一种有利的实施方式中，它具有抗腐蚀涂层，该涂层最好含有Zn或者Zn合金。

为了制造火花塞、尤其是本发明的火花塞，根据本发明，设计了一种方法，它包括如下方法步骤：

将绝缘体插入到壳体中，直到靠置到壳体的一个朝向气缸头的区域中的一个横截面减小的区段上，在该壳体上构造有一个工具配合部和一个设计用于与气缸头相连接的外螺纹；将壳体的至少一个环绕着绝缘体的局部区域加热到大约300℃至大约450℃的温度上；在壳体的一个背离气缸头的区域中，构造出另一个横截面减小的区段来轴向固定绝缘体；冷却壳体，使得绝缘体通过壳体的收缩被气密地安置于壳体中。

本发明的方法是一种“半热装配”，它的工作温度比通常的冷装配要高、而比通常的热装配要低。

已表明：在热装配或热收缩中，为了在通电时在最狭窄的壳体横截面上有目的地获得加热效果而需要的凹口，以及在冷装配中，为了弹性预加载或使壳体进行冷墩压而要求的凹口，在这里可以被省掉，由此获得了壳体中应力集中很小的优点。

另外，在本发明的“半热装配”中，壳体被加热到大约300℃至大约450℃之间的温度上，将抗腐蚀的涂层，如Zn或者如ZnNi这样的Zn合金施加到壳体上。尤其是含有Zn的涂层，它对于红锈而言性能特别有利，在更高的温度下将燃烧掉，因此在这里，根据本发明，仅在“半热装配”下确保了获得预期的抗腐蚀性能。

有利的是，在壳体的背离气缸头的区域中的横截面减小的区段的构造通过壳体的一个边缘区域的折边实现。

有利的是，对壳体的至少一个局部区域进行加热的步骤在将绝缘体安置到壳体内的步骤之前实施。

有利的是，在壳体的背离气缸头的区域中构造所述横截面减小的区段的步骤之前，在绝缘体的与其相配合的台阶上安置一个机构，它在本方法结束之后，在绝缘体上施加一个额外的、沿着火花塞的纵向方向的力。

有利的是，壳体的被加热的局部区域，是位于外螺纹的接线柱侧的区域，尤其是工具配合部的区域和位于工具配合部与外螺纹之间的区域。

有利的是，壳体的被加热的局部区域通过感应热来加热。

本发明的其他优点和有利构造可以从说明书、附图和其它申请文件中获得。

附图说明

本发明火花塞的两个实施例在图例中给出，并在随后的说明中进行详细描述。图中所示为：

图1本发明的一个火花塞的第一实施形式的中间部分区域的简化的半剖图，及

图2本发明火花塞的另一个实施形式的简化的半剖图。

具体实施方式

在图1和2中分别以单独状态示出了一个火花塞1及1’，它与未详细示出的一个内燃机的气缸头相连接。

火花塞1及1’具有一个由金属制造的壳体2及2’，在其上构造了一个六角螺母形式的工具配合部(Werkzeugansatz)17和一个用于与气缸头相连接而设计的外螺纹13。在所示出的结构中，壳体2、2’上设有以主要是Zn或Zn合金构成的抗腐蚀涂层。

在壳体2、2’的内部，安装有一个绝缘体4、4’，它由如氧化铝这样的烧结陶瓷材料制成。在绝缘体4、4’的一个纵向孔中，安置着一个中心电极5和一个接线柱6，它带有一个从绝缘体4、4’中伸出来的接线螺母7，如尤其是在图2中清楚地示出的那样。

在中心电极5与接线柱6之间安置着一个第一接触元件8、一个电阻元件9和一个第二接触元件10，通过它们将中心电极5与接线柱6实现导电连接。接触元件8、10可以例如构造为Kontaktpanat、而电阻元件9可以构造为Widerstandspanat。通过施加一个高压于接线柱6上，按照已知的方式，在中心电极5与至少一个固定于壳体2、2’上的接地电极11之间产生一个火花间隙，其中电阻元件9起到限流作用。

绝缘体4、4’气密性密封地安置于在壳体2、2’中，其中，在装配完毕的状态下，壳体2、2’在其背离气缸头的区域中的一个第一横截面减小的区段18、18’与在其朝向气缸头的区域中的一个第二横截面减小的区段21之间施加一个沿着火花塞1及1’的纵向的力作用于绝缘体4及4’的所配置的台阶20或20’及23上，来实现绝缘体4、4’与壳体2、2’之间的气密性密封。

为此，壳体2及2’至少在介于工具配合部17和外螺纹13之间的区域中借助于热处理缩减其长度，其中壳体2、2’的外部轮廓在该区域中构造为无凹口的。

壳体2、2’在其背离气缸头的区域中的横截面减小的区段18、18’，在图1和图2所给的实施例中分别构造成一个折边边缘，也就是壳体的一个弯边的边缘区域。

在图1所给的实施例中，为了将绝缘体4密封于壳体2中，在折边边缘18上构造了一个密封面12，而在绝缘体4的与之配合的台阶20上构造了一个密封面14。通过力F——它是由弯边的横截面减小区段18沿着平行于火花塞1的纵轴方向施加于绝缘体4的横截面增大的台阶20上的——，绝缘体4的密封面14相对于壳体2的密封面12压紧、并因此将绝缘体4气密性地密封于壳体2中。

此外，力F也可以沿径向向内指向，以便将绝缘体4的密封面14相对于壳体2的密封面12、或者相对于必要时附加安置的密封元件压紧。这样的密封元件可以例如构造成放置在绝缘体4的密封面14上的金属环。

力F通过壳体2的长度缩减来施加上去，在所给的实施例中该长度缩减是在制造火花塞期间的一个热收缩过程来产生的。

为了制造火花塞1，绝缘体4被安置于向上敞开的金属壳体2中，因此绝缘体4的密封面14贴靠到壳体2的密封面12上。

壳体2的一个局部区域A——它包含着工具配合部17所在区域、以及介于工具配合部17和外螺纹13之间的区域——被加热到大约300至450℃的温度。为此可以使用感应加热或者其他种类的电加热器。

壳体2的背离外螺纹13的上部边缘区域被弯边，来形成向内伸的、横截面减小的区段18，它伸展到绝缘体4的向外扩展的台阶20上。

终止加热后，壳体2冷却，这样在壳体材料的收缩过程中，至少使得壳体的长度缩减。这样，壳体2的横截面减小区段18在绝缘体4的扩展的台阶20上施加一个沿着火花塞1的纵向的力，使得绝缘体4的密封面14密闭地压紧于壳体2的密封面12上。

替代之，可以在制造过程中，在将绝缘体4安置到壳体2中之前将壳体2的局部区域A加热，或者选择其他的合适的制造方法步骤顺序。

由图2给出了将绝缘体4’密封于壳体2’中的密封的另一种方式的构造实施例。

为了将绝缘体4’密封于壳体2’中，这里设计了一个环形的密封元件16，它以其一侧贴靠于绝缘体4’的一个密封面14’上、而以另一侧贴靠到壳体2’的一个密封面12’上。密封面14’、12’在这里分别为作成圆滑的或锥形的台阶状的表面段，它们分别处于绝缘体4’的外壁上及壳体2’的内壁上、位于外螺纹13所在区域中。密封元件16的成形，使得它以面贴靠于绝缘体4’的密封面14’和壳体2’的密封面12’上。密封元件16在这里由钢或者表面覆盖着铜的钢制成。

此外，设置一个将绝缘体4’环绕起来的环形弹簧元件作为机构22，通过它朝向气缸头方向上、在绝缘体4’上施加一个额外的力，从而将绝缘体4’的密封面14’压靠在密封元件16上。在这里，在平行于火花塞10的纵轴方向上，弹簧元件22被安置于六角螺母17的背离螺纹13的区域中、壳体2’的向内弯边的横截面减小区段18与绝缘体14的横截面扩展的台阶20’之间。

在壳体2’的构成弯边的横截面减小区段18和绝缘体4’的台阶20’之间，如同已经利用图1描述过的那样，作用着一个沿着火花塞1的纵向朝向气缸头的作用力。该作用力是通过火花塞1’制造过程中在壳体2’的区域A中起作用的收缩过程、以及由此造成的壳体2’的长度缩减而产生的。通过壳体2’的长度收缩，横截面减小的区段18朝向气缸头压靠到弹簧元件22上，后者又向绝缘体4’的台阶4’施加压力。

另外，在弹簧元件22和横截面减小区段18之间设置了一个第一环形元件24、以及在弹簧元件22与绝缘体4’的横截面扩展台阶20’之间设置有一个第二环形元件25。通过环形元件24、25，在绝缘体4’的台阶20’上施加一个均匀的压力。由于两个环形元件24、25以面放置在横截面减小区段18和/或者绝缘体4’的台阶20’的朝向弹簧元件22的一个环形面26上，单位面积上的压应力也减小了。

这里，弹簧元件22为一个圆柱形弹簧。在未示出的其他替代实施例中，弹簧元件22也可以是盘形弹簧或弯曲弹簧。在这里，将弹簧元件22设计为弹簧常数为大约1kN/mm、并且在大约200℃湿度时在绝缘体4’上施加大约1kN的力。

在图2所给的实施例的一种替代实施形式中，也可以设置一个补偿元件来替代弹簧元件，这样，就可以省去第一和第二环形元件。由于壳体的热膨胀系数高于绝缘体的，因此壳体的热膨胀大于绝缘体。为了避免由此造成将绝缘体的密封面压靠到密封元件上的力发生不允许的降低，设置了该补偿元件。为此，该补偿元件具有高于壳体的热膨胀系数，因此，壳体在横截面减小区段和其密封面之间的长度膨胀，相对于绝缘体在该区域的长度膨胀，至少部分地得到补偿。由此实现，即使温度强烈升高，作用于密封元件上的压力和由此产生的密封效果，也能确保在足够高的程度上。补偿元件可以由铝合金制造，其热膨胀系数大约为23.5x10^-6K^-1，而壳体材料所具有的热膨胀系数大约为10x10^-6K^-1。

在所描述的实施例中，弹簧元件22可以同时具有一个补偿元件的特性，尤其是其热膨胀系数比壳体的高。同样，由于材料的弹性、或者由于其造型，补偿元件也可以如弹簧元件22那样具有弹性。

Claims (22)

1.与内燃机的气缸头相连接的火花塞，其中，一个绝缘体(4，4’)安置于壳体(2，2’)内，该壳体(2，2’)在装配了的状态下在其背离气缸头的区域中的一个第一横截面减小的区段(18，18’)与在其朝向气缸头的区域中的一个第二横截面减小的区段(21)之间将一个沿着火花塞(1，1’)的纵向的力作用在绝缘体(4，4’)的所配置的台阶(20，20’，23)上，来实现绝缘体(4，4’)与壳体(2，2’)之间的气密性密封，并且，其中在壳体(2，2’)上构造了一个工具配合部(17)和一个设计用于与气缸头连接的外螺纹(13)，其特征是：壳体(2，2’)至少在工具配合部(17)与外螺纹(13)之间的区域中借助于热处理来缩短长度，并且在工具配合部(17)与外螺纹(13)之间的该区域中具有无凹口的外部轮廓。

2.如权利要求1所述的火花塞，其特征是：壳体(2)与绝缘体(4)之间的密封构造成绝缘体(4)的一个密封面(14)与壳体(2)的一个密封面(12)的接触。

3.如权利要求1所述的火花塞，其特征为：壳体(2’)与绝缘体(4’)之间的密封借助于在绝缘体(4’)的一个密封面(14’)与壳体(2’)的一个密封面(12’)之间的一个密封元件(16)构成。

4.如权利要求2所述的火花塞，其特征为：壳体(2，2’)在绝缘体(4，4’)上施加一个径向朝内的力，使得绝缘体(4，4’)的密封面(14，14’)压到壳体(2，2’)的密封面(12，12’)上，并因此使绝缘体(4，4’)在壳体(2，2’)内气密地密封。

5.如权利要求3所述的火花塞，其特征为：壳体(2，2’)在绝缘体(4，4’)上施加一个径向朝内的力，使得绝缘体(4，4’)的密封面(14，14’)压到密封元件(16)上，并因此使绝缘体(4，4’)在壳体(2，2’)内气密地密封。

6.如权利要求1至5之一所述的火花塞，其特征为：减小壳体(2，2’)的长度的热处理为热收缩。

7.如权利要求1至5之一所述的火花塞，其特征为：设置一个机构(22)，用于施加一个附加的沿着火花塞(1’)纵向作用在绝缘体(4’)上的力。

8.如权利要求7所述的火花塞，其特征为：该机构为弹簧元件(22)。

9.如权利要求7所述的火花塞，其特征为：该机构(22)是一个补偿元件，它具有比壳体(2’)更高的热膨胀系数，当温度升高时，它在绝缘体(4’)上施加一个附加的、沿着火花塞(1’)纵向的力。

10.如权利要求1至5之一所述的火花塞，其特征是：在壳体(2，2’)的背离气缸头的区域中，壳体(2，2’)的横截面减小的区段(18，18’)构造成一个折边边缘。

11.如权利要求1至5之一所述的火花塞，其特征为：壳体(2，2’)具有一个抗腐蚀涂层。

12.如权利要求2或4所述的火花塞，其特征为：这些密封面(12，14)构造在壳体(2)的横截面减小的区段(18，21)和绝缘体(4)的与壳体(2)的横截面减小的区段(18，21)相配合的所述台阶(20，23)上。

13.如权利要求3或5所述的火花塞，其特征为：所述密封元件构造成一个金属环(16)。

14.如权利要求6所述的火花塞，其特征为：所述热收缩也能够减小壳体(2，2’)的周长。

15.如权利要求8所述的火花塞，其特征为：该弹簧元件(22)是一个圆柱形弹簧、一个盘形弹簧或一个弯曲弹簧。

16.如权利要求11所述的火花塞，其特征为：该抗腐蚀涂层含有Zn或者Zn合金。

17.制造如权利要求1至16之一所述的火花塞的方法，它包括如下方法步骤：

将绝缘体(4，4’)插入到壳体(2，2’)中，直到靠置到壳体(2，2’)的一个朝向气缸头的区域中的一个横截面减小的区段(21)上，在该壳体上构造有一个工具配合部(17)和一个设计用于与气缸头相连接的外螺纹(13)；

将壳体(2，2’)的至少一个环绕着绝缘体(4，4’)的局部区域加热到大约300℃至大约450℃的温度上；

在壳体(2，2’)的一个背离气缸头的区域中，构造出另一个横截面减小的区段(18，18’)来轴向固定绝缘体(4，4’)；

冷却壳体(2，2’)，使得绝缘体(4，4’)通过壳体(2，2’)的收缩被气密地安置于壳体中。

18.如权利要求17所述的方法，其特征为：在壳体(2，2’)的背离气缸头的区域中的横截面减小的区段(18，18’)的构造通过壳体(2，2’)的一个边缘区域的折边实现。

19.如权利要求17或18所述的方法，其特征为：对壳体(2，2’)的至少一个局部区域进行加热的步骤在将绝缘体(4，4’)安置到壳体(2，2’)内的步骤之前实施。

20.如权利要求17或18所述的方法，其特征为：在壳体(2，2’)的背离气缸头的区域中构造所述横截面减小的区段(18，18’)的步骤之前，在绝缘体(4，4’)的与壳体(2，2’)的背离气缸头的区域中的所述横截面减小的区段相配合的台阶(20，20’)上安置一个机构(22’)，它在本方法结束之后，在绝缘体(4，4’)上施加一个额外的、沿着火花塞(1，1’)的纵向方向的力。

21.如权利要求17或18所述的方法，其特征为：壳体(2，2’)的被加热的局部区域(A)包括工具配合部(17)的区域和位于工具配合部(17)与外螺纹(13)之间的区域。

22.如权利要求17或18所述的方法，其特征为：壳体(2，2’)的被加热的局部区域(A)通过感应加热来加热。

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