专利名称：火花塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃机等中使用的火花塞。
背景技术：
火花塞安装于诸如内燃机(发动机)等燃烧系统以用于点火空气-燃料混合物。一般，火花塞包括具有轴向孔的绝缘体、插入轴向孔的中心电极、围绕绝缘体的外周设置的壳体以及设置于壳体的前端部以与中心电极之间形成火花放电间隙的接地电极。顺便提及，在火花塞中，火花放电间隙的大小随着使用中电极的消耗而扩大。当火花放电间隙的大小扩大时，在火花放电间隙中产生火花所需的放电电压増大。当放电电压以此方式增大时，担心电流沿着绝缘体的表面从中心电极流向壳体(发生所谓的跳火(flashover))或在绝缘体的前端部和壳体的前端部之间产生火花(作为跳火的ー种形式的所谓的侧向火花(side spark))，而不在火花放电间隙中产生正常的火花放电。为了防止作为发生于除了火花放电间隙以外的任何其他位置的放电(异常放电)的跳火,考虑延长从中心电极延伸到达壳体的路径中的沿着绝缘体的表面的路径的距离(沿面距离)。作为用于延长沿面距离的方法，建议下述技术形成较长的腿部，将绝缘体的前端部的外径制得较大，在腿部的表面形成环状槽(例如，參见专利文献1)，并且在腿部的外周面上形成台阶(例如，參见专利文献2)。现有技术文献专利文献专利文献I :日本特开平6-176848号公报专利文献2 :日本特开2001-143847号公报
发明内容
_9] 发明要解决的问题然而，根据上述的方法，虽然能够抑制异常放电的发生，但是所有的方法都涉及对绝缘体的前端过热的担心(即，耐热性变得不足)。因此，担心由于过热的前端部变成点火源而产生所谓的预点火，在预点火中，空气-燃料混合物在火花塞的点火之前由于热而被点火。鉴于这些情形完成了本发明，本发明的目的是提供ー种能够通过改善耐跳火性能而抑制异常放电并且能够增强自身耐热性的火花塞。用于解决问题的方案在下文中，将逐条说明适于解决问题的构造。另外，必要时还将说明各个构造的特定的功能和优点。构造I
根据本构造的火花塞包括绝缘体，其具有沿着轴线延伸的轴向孔；中心电极，其插入所述轴向孔的前端部并且所述中心电极的前端位于比所述绝缘体的前端靠前端侧的位置；以及筒状的壳体，其围绕所述绝缘体的外周设置；所述中心电极包括肩部和主体部，其中所述肩部随着自身从所述中心电极的前端部的后端朝向后端侧延伸而直径増大，所述主体部从所述肩部的后端沿着所述轴线朝向所述后端侧延伸，所述中心电极具有由外层和内层构造的多层结构，其中所述内层设置于所述外层的内部并且包含导热性比所述外层的导热性高的材料，所述火花塞的特征在干所述绝缘体的前端部形成有前端面，所述前端面连接到所述绝缘体的外周面和所述轴向孔，并且所述前端面朝向所述后端侧倾斜，所述绝缘体的所述前端位于比所述中心电极的所述肩部和所述主体部之间的边界靠前端侧的位置，所述内层的前端部位于比所述中心电极的所述肩部和所述主体部之间的所述边界在所述轴线的方向上靠前端侧的位置，并且在包含所述轴线的截面中，当通过使所述轴向孔的外形线朝向前端侧延伸而获得的直线被称为直线LI，通过使所述绝缘体的所述前端部的外侧面的外形线朝向前端侧延伸而获得的直线被称为直线L2，通过延伸所述绝缘体的所述前端面的外形线而获得的直线被称为直线L3，所述肩部的外形线和所述主体部的外形线之间的夹角的二等分线被称为直线L4，且以直角与所述轴线相交的直线被称为直线L5时，下述的角度Al、A2、A3、A4和A5分别满足下面的表达式(I)、(2)、(3)和⑷。Al > 90° …(I)； A2 < 90° …(2)；A4 > A5…(3)；A3 > Al--- (4)，其中，所述角度Al为所述直线LI和所述直线L3之间的夹角中的位于所述绝缘体所在侧的夹角的角度；所述角度A2为所述直线L2和所述直线L3之间的夹角中的位于所述绝缘体所在侧的夹角的角度；所述角度A3为所述肩部的外形线和所述主体部的外形线之间的夹角的角度；所述角度A4为所述直线L3和所述直线L5之间的夹角中的鋭角的角度；所述角度A5为所述直线L4和所述直线L5之间的夹角中的锐角的角度。为了抑制肩部和主体部之间的边界部处发生放电，优选地A3较大。因此，优选地A3彡130°，更优选地A3彡140°。构造2在根据本构造的火花塞中，根据构造I的火花塞的特征在于，在包含所述轴线的截面中，当所述肩部和所述主体部之间的边界点被称为Xl并且所述直线LI和所述直线L3之间的交点被称为X2时，所述边界点Xl和所述边界点X2之间的最短距离为0. 2mm以上。构造3在根据本构造的火花塞中，根据构造I或2的火花塞的特征在于，在包含所述轴线和所述接地电极的所述末端面的中心的截面中，所述直线L3与所述接地电极的所述末端面的外形线的位于所述末端面的所述中心的所述轴线的方向上的前端侧的位置的部分相交。构造4在根据本构造的火花塞中，根据构造I至3中任ー项的火花塞的特征在于，在包含所述轴线的截面中，所述直线L4与所述绝缘体的所述前端面的外形线相交。发明的效果根据构造I的火花塞，绝缘体满足Al > 90°并且A2 < 90°，而且绝缘体的前端面形成为从绝缘体的前端部外侧面朝向轴向孔沿轴线方向朝向后端侧傾斜。因此，能够使绝缘体的沿面距离较长。另外，当肩部和主体部之间的边界部处产生火花放电时，放电趋于容易朝向场强变得最大的直线L4的方向产生。然而，根据构造I的火花塞，绝缘体的前端位于边界部的轴线方向上的前端侧的位置并且形成为使得满足A4 > A5。此外，绝缘体的前端面形成为比火花放电在边界部处趋于最容易产生的方向更向后傾斜。由于这些因素，能够通过绝缘体的前端面更可靠地阻碍火花到达壳体，从而可以更可靠地防止边界部和壳体之间的直接放电的发生。结果，与能够使沿面距离较长的构造组合，提高了耐跳火性，从而可以有效地防止异常放电的发生。
如上所述，通过将绝缘体的前端面形成为沿轴线方向朝向后端侧倾斜，能够延长沿面距离。然而，当使Al过大(換言之，当使A2过小)时，绝缘体的前端部的体积减小，并且前端面的形状使得特别地绝缘体的前端部的外侧部沿轴线方向朝向前端侧过度突出。因此，绝缘体的前端部趋于容易过热，导致担心耐热性低下或绝缘体的前端部例如通过切削(chipping)而破损。在这点上，根据构造I的火花塞，绝缘体的前端面被构造为满足A3 > Al，由此，能够防止Al变得过大。结果，能够抑制绝缘体的前端外侧部朝向轴线方向上的前端侧过度突出，从而能够提高耐热性并且能够防止绝缘体的破损。还可以认为，通过简单地减小Al的值而不管A3的值如何，能够抑制绝缘体的前端部的外侧部的突出。然而，在该情况下，如果绝缘体的前端面形成为不满足A3 > Al，则角度A3变得非常小，由此，当施加电压时，放电趋于容易在肩部和主体部之间的边界部处产生。即，如果绝缘体的前端面形成为不满足A3 > Al，则担心不能确保耐热性和耐跳火性中的至少一方的充分的性能。換言之，通过满足A3 > Al，能够确保耐热性和耐跳火性两者的充分的性能。此外，根据构造I的火花塞，具有优良导热性的内层的前端部位于肩部和主体部之间的边界的轴线方向上的前端侧的位置。因此，即使在本构造的被构造成使得绝缘体的前端外侧部朝向轴线方向上的前端侧略微突出的绝缘体中，仍能够有效地传导前端部处的热。因此，能够进一步提闻耐热性。根据构造2的火花塞，在肩部和主体部之间的边界部与绝缘体之间形成有0. 2mm以上的充分的间隙。因此，在边界部和绝缘体之间产生介质击穿所需的电压能够被増大到高水平。因此，能够更可靠地防止边界部和绝缘体之间的放电，由此，能够更可靠地防止异常放电。根据构造3的火花塞，所述火花塞包括接地电极，所述接地电极的末端面面对所述中心电极的侧表面，在包含所述轴线和所述接地电极的所述末端面的中心的截面中，所述直线L3穿过所述接地电极的所述末端面的位于所述末端面的所述中心的所述轴线的方向上的前端侧的位置的部分。这里，当中心电极和接地电极之间以火花沿着绝缘体的前端面蔓延的方式产生放电时，放电容易产生在接地电极的末端部的场强较强的角部与中心电极之间。然而，根据构造3，放电趋于容易产生在接地电极的末端的位于其他部分的轴线方向上的前端侧的位置的角部与中心电极之间。即，火花趋于容易产生在接近燃烧室的中心的位置，并且使接地电极阻碍火焰的成长难以发生。因此，能够提高点火性。
另ー方面，在上述截面中，使直线L3与接地电极的末端面相交。即，接地电极的末端面被布置成沿轴线方向向前突出到某一程度。这样，更可靠地展示了点火性的提高效果。根据构造4的火花塞，绝缘体的前端面位于直线L4上，其中直线L4在火花放电在肩部和主体部之间的边界部 处最容易产生的方向上延伸。因此，能够更可靠地通过绝缘体的前端面阻碍火花从中心电极到达壳体，由此可以更有效地防止边界部和壳体之间的直接火花。结果，能够更可靠地防止异常放电的发生，由此可以实现更优良的耐跳火性。
图I是示出火花塞的构造的部分剖切正视图。图2是示出绝缘体的前端部的构造和中心电极的前端部的构造的部分放大截面娱式图、sectional exemplary view)。图3的(a)是示出样品I的示意构造的部分放大截面模式图，图3的(b)是示出样品2的示意构造的部分放大截面模式图。图4的(a)是示出样品3的示意构造的部分放大截面模式图，图4的(b)是示出样品4的示意构造的部分放大截面模式图。图5的(a)是示出样品5的示意构造的部分放大截面模式图，图5的(b)是示出样品6的示意构造的部分放大截面模式图。图6的(a)是示出样品7的示意构造的部分放大截面模式图，图6的(b)是示出样品8的示意构造的部分放大截面模式图。图7是示出耐跳火性评价试验的结果的图表。图8是示出耐热性评价试验的结果的图表。图9的(a)是示出样品A的示意构造的部分放大截面模式图，图9的(b)是示出样品B的示意构造的部分放大截面模式图。图10的(a)是示出样品C的示意构造的部分放大截面模式图，图10的(b)是示出样品D的示意构造的部分放大截面模式图。图11是示出耐热性评价试验的结果的图表。图12是示出根据不同实施方式的绝缘体的前端部等的构造的部分放大截面模式图。图13是示出另ー不同的实施方式的火花塞的前端部的构造的部分剖切放大正视图。图14是示出又一不同的实施方式的火花塞的前端部的构造的部分剖切放大正视图。
具体实施例方式在下文中，将參照
一个实施方式。图I是示出火花塞I的部分剖切正视图。应注意的是在图I中，将通过将火花塞I的轴线CLl的方向作为图中的上下方向并且分别通过将图的下侧作为火花塞I的前端侧和图的上侧作为火花塞I的后端侧来进行说明。火花塞I包括作为绝缘元件的筒状绝缘体2和保持绝缘体2的筒状壳体3。正如公知的，绝缘体2通过烧结氧化铝或类似物而形成。当观察其外观时，绝缘体2包括形成于绝缘体2的后端侧的后端侧主体部10、以径向向外突出的方式形成于后端侧主体部10前方的大径部11、以直径小于大径部11的方式形成于大径部11的前方的中间主体部12以及以直径小于中间主体部12的方式形成于中间主体部12的前方的腿部13。另夕卜，绝缘体2的大径部11、中间主体部12和大部分的腿部13被收容在壳体3的内部。此夕卜，锥状台阶部14形成于中间主体部12和腿部13所连接的连接部，并且绝缘体2在该台阶部14处被锁定于壳体3。另外，轴向孔4沿着轴线CLl形成于绝缘体2中，并且中心电极5被插入固定在轴向孔4的前端部。中心电极5整体上为棒状(柱状)并且从绝缘体2的前端突出。另外，中心电极5包括外层5B和内层5A，外层5B由主要含有镍(Ni)的Ni合金制成，内层5A由导热性比Ni合金的导热性高的铜、铜合金或纯Ni制成。另外，由贵金属合金(例如，铱合金)制成的柱状贵金属电极头31被接合到中心电极5的前端部51。此外，端子电极6以端子电极6从绝缘体2的后端突出的状态被插入固定在轴向孔4的后端部。另外，柱状电阻元件7在轴向孔4中设置于中心电极5和端子电极6之间。电阻元件7的两端部分别经由导电性玻璃密封层8、9电连接到中心电极5和端子电极6。此外，壳体3由诸如低碳钢等金属制成并且为筒状，并且螺纹部(外螺纹部)15形成于壳体3的外周面以用于将火花塞I安装在诸如内燃烧室或燃料电池重组器(reformer)等燃烧装置中。另外，座部16形成于壳体3的位于螺纹部15的后端侧的部分的外周面上，并且环状垫圈18被装配在螺纹部15的后端处的螺纹颈部17上。另外，截面为六角形状的工具接合部19设置于壳体3的后端部以用于在将火花塞I安装在燃烧装置中时与诸如扳手等工具接合。另外，弯边部20设置于壳体3的后端以用于保持绝缘体2。在本实施方式中，壳体3的直径被减小以使得火花塞I的尺寸较小。因此，螺纹部15的螺纹直径为M12以下(例如，MlO以下)。此外，锥状台阶部21设置于壳体3的内周面以用于将绝缘体2锁定于此。于是，绝缘体2从壳体3的后端朝向前端插入并且通过径向向内弯边壳体3的后端的开ロ部(SP，通过在绝缘体2的台阶部14被锁定于壳体3的台阶部21上的状态下形成弯边部20)而被固定于壳体3内。圆环状的板状密封件22介于绝缘体2的台阶部14和壳体3的台阶部21之间。这样，維持了燃烧室内的气密性，使得进入壳体3的内周面和绝缘体2的暴露到燃烧室内部的腿部13之间的空间的空气-燃料混合气不能泄漏到该空间的外部。另外，为了通过弯边确保完全的封闭，环状圈构件23、24在壳体3的后端部处介于壳体3和绝缘体2之间，并且滑石25的粉填充在圈构件23、24之间。也就是，壳体3经由板状密封件22、圈构件23、24和滑石25保持绝缘体2。此外，辅助电极(对应于本发明的接地电极)27B、27C以及在中间部分弯曲的平行电极27A接合到壳体3的前端部26。平行电极27A和辅助电极27B、27C由Ni合金形成。平行电极27A布置成使得末端部侧表面面对贵金属电极头31的前端面。于是，在限定于平行电极27A和贵金属电极头31之间的间隙中沿基本上与轴线CLl方向一致的方向产生气体放电(aerial discharge)。此外，辅助电极27B、27C布置成使得辅助电极27B、27C两者各自的末端面隔着轴线CLl彼此面对，并且辅助电极27B、27C的末端面面对中心电极5的对应侧表面。通过采取本构造，在中心电极5的侧表面和辅助电极27B、27C之间产生火花放电，使得火花沿着绝缘体2的表面蔓延(creep)。也就是，本实施方式的火花塞I是所谓的混合式火花塞，其中混合式火花塞既用作火花放电产生在中心电极5和平行电极27A之间的所谓的平行电极式火花塞，也用作火花放电产生在中心电极5和辅助电极27B、27C之 间的所谓的半面放电式火花塞。图2是示出实施方式的绝缘体2的构造的放大截面模式图。然而，为了方便起见，在图2中省略了通常给予截面图的阴影线(在图3-6、9、10和12中也一祥)。在本实施方式中，如图2所示，中心电极5具有肩部52和主体部53，其中肩部52随着从接合有贵金属电极头31的末端部51沿着轴线CLl朝向后端侧延伸而直径増大,并且主体部53从肩部52沿着轴线CLl朝向后端延伸。此外，锥形部54以随着锥形部54朝向后端侧延伸而直径増大的方式设置于主体部53的后端部。另外，绝缘体2的前端面41为锥形使得当在包含轴线CLl的截面中观察时，端面41从绝缘体2的前端部外侧面42朝向轴向孔4在轴线CLl的方向上朝向后端侧傾斜。另夕卜，绝缘体2的前端部的前端面41和外侧面42经由弯曲面部43连接，并且在端面41和轴向孔4之间形成倒角部44。此外，绝缘体2的前端位于中心电极5的肩部52和主体部53之间的边界的轴线CLl的方向上的前端侧的位置，但是位于中心电极5的前端部51和肩部52之间的边界的轴线CLl的方向上的后端侧的位置。另外，中心电极5的内层5A的前端部位于肩部52和主体部53之间的边界的轴线CLl的方向上的前端侧的位置。此外，如上已经说明的，绝缘体2的前端面41为锥形使得端面41从前端部的外侧面42朝向轴向孔4朝向后端傾斜，由此,关于包含轴线CLl的截面，当由直线LI和直线L3形成的角度中的位于绝缘体2所存在侧的角度被称为Al( ° )、由直线L2和直线L3形成的角度中的位于绝缘体2所存在侧的角度被称为A2(° )时，满足Al >90°并且A2<90°。此外，关于包含轴线CLl的截面，当由肩部52的外形线和主体部53的外形线形成的角度中的位于中心电极5侧的角度被称为A3(° )、由直线L3和直线L5形成的角度中的锐角被称为A4 (° )并且由直线L4和直线L5形成的角度中的锐角被称为A5 (。)吋，绝缘体2的形状和中心电极5的形状被设定为使得满足A4 > A5并且A3 > Al。“直线LI”指的是通过在包含轴线CLl的截面中朝向前端侧延伸轴向孔4的外形线而获得的直线。“直线L2”指的是通过在包含轴线CLl的截面中朝向前端侧延伸绝缘体2的前端部的外侧面42的外形线而获得的直线。“直线L3”指的是通过在包含轴线CLl的截面中延伸绝缘体2的前端面41的外形线而获得的直线。“直线L4”指的是在包含轴线CLl的截面中由肩部52的外形线和主体部53的外形线形成的角度A3的二等分线。另外，“直线L5”指的是以直角与轴线CLl相交的直线。直线L1、L2、L3基于轴向孔4的外形线、不考虑与前端面41连续地形成的弯曲面部43和倒角部44的情况下前端部的基本上形成为直线的前端面41的外形线和外侧面42的外形线而限定。此外，在本实施方式中，通过在中心电极5上形成锥形部54，在主体部53和轴向孔4之间形成一定尺寸的间隙。为了详细地说明该情况，在包含轴线CLl的截面中，当肩部52和主体部53之间的边界点被称为XI，并且直线LI和直线L3之间的交点被称为X2吋，边界点Xl和边界点X2之间的最短距离为0. 2mm以上(更优选地为0. 25mm以上)。另外，在包含轴线CLl和辅助电极27B (27C)的末端面的中心CP的截面中，辅助电极27B、27C的末端位置被设定为使得直线L3与辅助电极27B (27C)的末端面的外形线的位于辅助电极27B的末端面的中心CP的轴线CLl方向上的前端侧的位置处的部分相交。此外，为了防止肩部52和主体部53之间的边界部分处的放电的频繁发生，使得角度A3尽可能大(例如，135°以上,更优选地140°以上)。因此，如上已经说明的，根据本实施方式，绝缘体2满足Al >90°并且A2<90°，并且绝缘体2的前端面41形成为从前端部的外侧面42朝向轴向孔4沿轴线CLl的方向朝向后端侧傾斜。因此，能够使绝缘体2的沿面距离较长。 另外，当火花放电产生在肩部52和主体部53之间的边界部时，放电趋于在场强变得最大的直线L4的方向上容易地产生。然而，根据本实施方式，绝缘体2的前端位于该边界部的沿轴线CLl方向上的前端侧的位置并且形成为使得满足A4 > A5，即，绝缘体2的前端面41形成为比火花放电在边界部最容易地产生的方向向后傾斜。因此，通过绝缘体2的前端面41能够更可靠地阻碍火花到达壳体3侧，由此可以更可靠地防止边界部和壳体3之间的直接放电的发生。结果，与沿面距离被制为较长的构造相组合，增强了耐跳火性(flashover resistance),由此可以有效地防止异常放电的发生。另外，绝缘体2的前端面41被构造成满足A3 > Al，由此，能够防止Al变得过大。通过该构造，能够抑制绝缘体2的前端外侧部沿轴线CLl的方向朝向前端侧过度突出，从而增强了耐热性并且能够防止绝缘体2的破损。此外，根据本实施方式，具有优良导热性的内层5A的前端部位于肩部52和主体部53之间的边界的轴线CLl方向上的前端侧的位置。因此，即使在被构造成使得前端外侧部沿轴线CLl的方向朝向前端侧略突出的绝缘体2中，前端部处的热仍能够被有效地传导。这能够进ー步增强耐热性。另外，肩部52和主体部53之间的边界部与绝缘体2之间形成0. 2mm以上的充分间隙。因此，在边界部和绝缘体2之间产生介质击穿所需的电压能够被増大到高水平。因此,能够可靠地防止边界部和绝缘体2之间的放电，由此,能够更可靠地防止异常放电。另外，在本实施方式中，关于包含轴线CLl和接地电极27的末端面的中心CP的截面，直线L3与接地电极27的末端面的外形线的位于中心CP的轴线CLl方向上的前端侧的位置的部分相交。因此，当中心电极5和接地电极27之间产生放电时，中心电极5与接地电极27的末端角部之间容易产生放电,所述角部位于其他部分的轴线CLl方向上的前端侧的位置。即，火花趋于在接近燃烧室的中心的位置产生，并且使得接地电极27对火焰成长的阻碍难以发生。因此，能够改善点火性能。如在本实施方式中，在具有螺纹直径被减小到M12以下的螺纹部15的壳体3中，绝缘体2与壳体3之间的距离变得较短，导致担心产生异常放电。然而，通过满足上述的构造，能够可靠地防止异常放电的发生。換言之，上述构造在包括下述壳体3的火花塞中变得有效壳体3具有螺纹直径被减小到M12以下的螺纹部15。接着，为了确认实施方式提供的功能和优点，对与根据实施方式的样品对应的样品1、2和与比较例对应的样品3至6进行耐跳火性评价试验。下面是所进行的耐跳火性评价试验的总结。即，为各个样品制备多个中心电极和辅助电极(接地电极)之间的间隙不同的火花塞。将样品安装在排气量0.66L的三缸发动机中，然后，在节气门全开状态(=3500rpm)下运转发动机。然后，检验各种样品的当中心电极和壳体之间产生异常放电时的间隙的增大量(异常放电开始间隙增大量)。应注意的是异常放电开始间隙增大量变得越大，异常放电越难以发生，并且进一歩改善了耐跳火性。此外，样品I至6如下地构造。即，至于样品1，如图3的(a)所示，角度Al被设定为115°，角度A2为65°，角度A3为139.5°，角度A4为25°并且角度A5为20. 25°，中心电极的内层的前端部位于肩部和主体部之间的边界的轴线方向上的前端侧的位置，并且边界点Xl和X2之间的最短距离为0. 25mm。此外，至于样品2，如图3的(b)所示，角度Al至A5的值以及内层的前端部所布置的位置与样品I相同，而边界点Xl和X2之间的最短距离为0. 19_。即，两个样品均被构造为使得满足Al > 90°，A2<90°，A4>A5并且A3
>Al并且内层的前端部位于肩部和主体部之间的边界的轴线方向上的前端侧的位置。另ー方面，至于样品3，如图4的(a)所示，角度Al被设定为90°，角度A2为90°，角度A3为139.5°，角度A4为0°并且角度A5为20. 25 °，并且不满足Al >90°和A2<90°。此外，至于样品4，如图4的(b)所示，角度Al被设定为110°，角度A2为70°，角度A3为139.5°，角度A4为20°并且角度A5为20. 25°，并且不满足A4>A5。另外，至于样品5，如图5的(a)所示，角度Al被设定为139. 5°，角度A2为40.5°，角度A3为139.5°，角度A4为49. 5°并且角度A5为20. 25°，并且不满足A3 > Al。此外，至于样品6，如图5的(b)所示，角度Al至A5的值与样品5的角度Al至A5的值相同，而连接绝缘体的前端面和前端部外侧面的弯曲面部的曲率半径大大地増大，并且绝缘体的前端被设定为在轴线方向上被布置于与样品I和2的绝缘体的前端的位置相同的位置。样品3至6被构造为使得内层的前端部位于肩部和主体部的边界的轴线方向上的前端侧的位置。另外，对样品I至3和5以及与比较例对应的样品7和8进行JIS D1606规定的耐热性评价试验(预点火试验)。所进行的耐热性评价试验的总结如下。即，将样品安装在排气量为I. 6L的四缸DOHC发动机中，并且在节气门全开状态(=5500rpm)运转发动机，同 时从正常点火定时逐渐提前点火定时。然后，基于施加于样品的电离电流的波形识别发生预点火的点火定时(预点火发生提前角)。应注意的是随着预点火发生提前角变得越大，预点火变得越难发生，即，耐热性变得越优良。此外，样品7、8如下地构造。即，至于样品7，如图6的(a)所示，角度Al至A5的值与样品I的角度Al至A5的值相同，而中心电极的内层的前端设定为被布置于在轴线方向上与肩部和主体部之间的边界的位置相同的位置。另外，至于样品8，如图6的(b)所示，与样品7相同，角度Al至A5的值与样品I的角度Al至A5的值相同，而内层的前端设定为被布置于从肩部和主体部之间的边界沿着轴线朝后偏移I. Omm的位置。图7示出耐跳火性评价试验的结果并且图8示出耐热性评价试验的結果。如图7和图8所示，对于不满足Al >90°和A2<90°的样品3，显然的是尽管耐热性优良，异常放电开始间隙增大量变得非常小并且异常放电趋于非常容易地产生。这被认为是因为绝缘体的前端面在与轴线成直角的方向上延伸而不能确保绝缘体的充分的沿面距离的結果。另外，对于不满足A4 > A5的样品4，也发现异常放电开始间隙增大量变小并且异常放电趋于容易地产生。当肩部和主体部之间的边界部产生火花放电时，放电趋于容易朝向场强变得最大的直线L4的方向产生。然而，绝缘体的前端面被构造为比边界部处最容易产生火花放电的方向更缓和地傾斜。因此，认为由于前端面的构造，边界部处的放电使得火花可以容易地到达壳体而不被绝缘体的前端面阻碍。另外，对于不满足A3 > Al的样品5，变得显然的是虽然能确保绝缘体的充分的沿面距离从而提供优良的耐跳火性，但是耐热性变得不足。这被认为是由于绝缘体的前端部的体积被减小并且绝缘体的前端外侧部沿轴线方向朝向前端侧过度突出而使得绝缘体的前端部过热的结果。在该试验中，通过在角度A3保持恒定的状态下改变角度Al而将样品5制备成不满足A3 > Al。然而，当通过减小角度A3而将样品制备成不满足A3 > Al吋，已经证明引起下面的问题。即，由肩部和主体部形成的角度变小，因此，当施加电压时，放电趋于容易在肩部和主体部之间的边界部处产生，结果异常放电趋于容易地产生。即，可以说当不满足A3
>Al时，关于耐热性和耐跳火性中的至少一方，不能确保充分的性能。
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此外，对于角度Al至A5与样品5的角度Al至A5相同、但弯曲面部的曲率半径增大以减小绝缘体的前端部的体积的样品6，已经发现异常放电趋于容易地产生并且耐跳火性轻微地劣化。这被认为是由于沿面距离变得较短并且弯曲面部的曲率半径增大使得放电容易蔓延过绝缘体的表面。另外，对于内层的前端在轴线方向上位于与肩部和主体部之间的边界相同的位置或位于肩部和主体部之间的边界后方的位置的样品7、8，已经证明耐热性不足。这被认为是由于绝缘体的前端部和具有优良导热性的内层之间的距离较长而使得绝缘体的前端部的热不能被充分地传导到壳体的結果。与作为比较例已经说明的样品3至8相反，与实施方式对应的样品1、2显然在耐跳火性和耐热性两方面具有优良的性能。这被认为是由于以协同方式作用的下述因素(I)至(4)。即，(I)通过满足Al >90°和A2<90°并且使绝缘体的前端面从绝缘体的前端部的外侧部朝向轴向孔沿轴线的方向朝向后端侧倾斜，能够确保充分的沿面距离。(2)通过满足A4>A5并且使绝缘体的前端面的角度比火花放电趋于产生在边界部处最容易产生火花的方向的角度大，使边界部处的放电被绝缘体的前端面阻碍从而可靠地防止在边界部和壳体之间发生异常放电。(3)通过满足A3 > Al能够抑制由于绝缘体的前端面的倾斜而导致的绝缘体的前端部的体积的减小以及边界部处的放电的发生。(4)通过使内层的前端位置被布置于肩部和主体部之间的边界的轴线方向上的前端侧的位置，甚至在使绝缘体的前端侧的外侧部形成为如上所述的沿轴线方向轻微地朝前突出的绝缘体中，仍能够以好的效率传导绝缘体的前端部处的热。因此，认为由于这些因素的协同作用导致优良的耐跳火性和耐热性。另外，特别地，对于边界点Xl和X2之间的最短距离为0. 2mm以上的样品I，变得显然的是异常放电更难以发生并且提供了极其优良的耐跳火性。这被认为是因为能够増大在边界部和绝缘体之间产生介质击穿所需的电压。因此，从可靠地防止异常放电和进ー步增强耐跳火性的观点，可以说边界点Xl和X2之间的最短距离优选地是0. 2mm以上。接着，对样品A、B、C和D进行点火性评价试验。所进行的点火性评价试验的总结如下。即，将样品安装在排气量I. 5L的四缸发动机中，并且在怠速状态(=1200rpm)运转发动机。然后，在改变空气-燃料比的状态下测量各空气-燃料比的发动机扭矩的变动率。应注意的是发动机扭矩的变动率越小意味着点火性越好。此外，如下地制备样品A、B、C和D。即，关于样品A，如图9的(a)所示，绝缘体和中心电极以与上述的样品I的绝缘体和中心电极相同的方式构造。然后，辅助电极被布置成使得在包含轴线和辅助电极的末端面的中心的截面中，直线L3与辅助电极的末端面的外形线的位于末端面的中心的轴线方向上的前端侧的位置的部分相交。另ー方面，关于样品B，如图9的(b)所示，绝缘体和中心电极以与上述的样品3的绝缘体和中心电极相同的方式构造。然后，辅助电极被布置成使得辅助电极的末端面位于绝缘体的前端面的延长线上的位置。另外，关于样品C，如图10的(a)所示，绝缘体等以与上述的样品I的绝缘体等相同的方式构造。然后，通过使辅助电极的末端位置朝向轴线方向上的后端侧移位，使直线L3和辅助电极的末端面不彼此相交。另外，关于样品D，如图10的(b)所示，绝缘体等以与上述的样品I的绝缘体等相同的方式构造。然后，通过使辅助电极的末端位置朝向轴线方向上的前端侧移位，使直线L3在包含轴线和辅助电极的末端面 的中心的截面中与辅助电极的末端面的外形线的位于辅助电极的末端面的中心的轴线方向上的后端侧的位置的部分相交。在点火性评价试验中，为了精确地把握末端位置对点火性的影响，对没有设置平行电极使得火花仅产生为从中心电极到达辅助电极的样品A、B、C和D进行评价试验。图11示出所进行的点火性评价试验的結果。如图11所示，对于样品B、C和D，变得显然的是当空气-燃料比变大(空气-燃料混合物变得稀薄)时发动机扭矩的变动率变大，因此点火性变得不足。这被认为是由于中心电极的肩部和主体部之间的边界部与辅助电极之间产生火花放电时，放电在与燃烧室的中心间隔开的位置产生或者火焰的成长被辅助电极阻碍。与此相反，对于样品A，已经变得显然的是即使在空气-燃料比增大而使燃烧状态不稳定的情况下，发动机扭矩的变动率仍较小并且仍提供优良的点火性。这被认为是由于火花放电容易产生在中心电极的肩部和主体部之间的边界部与辅助电极的末端的角部中的位于轴线方向前端侧的位置的角部之间，即，火花放电容易产生在接近燃烧室的中心的位置并且使火焰的成长难以被辅助电极阻碍。因此，考虑到点火性评价试验的结果，可以说为了改善点火性，优选地使直线L3在包含轴线和辅助电极(接地电极)的末端面的中心的截面中与接地电极的末端面的外形线的位于接地电极的末端面的中心的轴线方向上的前端侧的位置的部分相交。例如在不被限制到前述实施方式的情况下可以如下地实施本发明。当然，也能够采用除了下面将要说明的实施例以外的其他应用例或变型例。(a)尽管未在实施方式中特别地说明，如图12所示，中心电极5和绝缘体2可以被构造成使得直线L4在包含轴线CLl的截面中与绝缘体2的前端面41的外形线相交。在该情况下，通过绝缘体2的前端面41能够更可靠地防止火花到达壳体3，由此可以更有效地防止肩部52和主体部53之间的边界部与壳体3之间的直接放电。结果，可以实现更优良的耐跳火性。(b)尽管实施方式的火花塞I是设置了平行电极27A和辅助电极27B、27C的混合式火花塞，但是本发明的技术思想所能应用的火花塞的构造不限于此。例如，如图13所示，本发明的技术思想可以应用到包括末端部的侧表面面对中心电极5 (贵金属电极头31)的前端面的接地电极37的所谓的平行电极式火花塞1A。另外，如图14所示，本发明的技术思想可以应用到包括末端面面对中心电极5 (贵金属电极头31)的侧表面的ー对接地电极47A、47B的所谓半面放电式火花塞1B。应注意的是设置于半面放电式火花塞IB的接地电极的数量不限于两个，因此，可以设置ー个或三个以上的接地电极。(c)尽管边界点XI、X2之间的最短距离在实施方式中被说明为0. 2mm以上，但是边界点X1、X2之间的最短距离可以小于0. 2mm。(d)尽管在实施方式中中心电极5上形成有锥形部54，但是中心电极5也可以形成为其上没有形成锥形部54。Ce)尽管在实施方式中中心电极5具有由内层5A和外层5B构造的双层结构，但是中心电极5也可以具有三层结构或由四层以上构成的多层结构。因此，例如，由铜合金或纯铜制成的中间层可以设置于外层5B的内侧，并且由纯镍制成的最内层可以设置于中间层的内侧。当中心电极5具有由三层以上构成的结构时，多个层与位于外层5B的内侧并且包 含具有比外层5B的导热性好的金属的内层5A对应。例如，在采用设置了中间层和最内层的构造的情况下，中间层和最内层与内层5A对应。(f)尽管贵金属电极头31在实施方式中被接合到中心电极5的前端部，但是也可以不设直贵金属电极头31。(g)尽管在实施方式中将螺纹部15的螺纹直径说明为M12以下，但是螺纹部15的螺纹直径不限于此。因此，螺纹部15的螺纹直径可以是M12以上。(h)尽管在实施方式中接地电极27被说明为接合到壳体3的前端部26的前端面，但是本发明还可以应用到通过切削(carving)部分壳体(或者部分事先焊接到壳体的金属头)而形成接地电极的实施方式(例如，特开2006-236906号公报)。此外，接地电极27可以接合到壳体3的前端部26的侧表面。尽管在实施方式中工具接合部19具有六角形截面，但是工具接合部19的形状不限于所述形状。例如，可以采用Bi-HEX (变形12角)形状(IS022977 :2005 (e))等类似形状。附图标记说明1,1A, IB火花塞；2绝缘体(绝缘元件)；3壳体；4轴向孔；5中心电极；5A内层；5B外层；27A平行电极；27B，27C辅助电极(接地电极)；41 (绝缘体的)前端面；42 (绝缘体的)前端部外侧面；51 (中心电极的)前端部；52肩部；53主体部；CL1轴线。
权利要求
1.一种火花塞,其包括 绝缘体，其具有沿着轴线延伸的轴向孔； 中心电极，其插入所述轴向孔的前端部并且所述中心电极的前端位于比所述绝缘体的前端靠前端侧的位置；以及 筒状的壳体，其围绕所述绝缘体的外周设置； 所述中心电极包括肩部和主体部，其中所述肩部随着自身从所述中心电极的前端部的后端朝向后端侧延伸而直径増大，所述主体部从所述肩部的后端沿着所述轴线朝向所述后端侧延伸， 所述中心电极具有由外层和内层构造的多层结构，其中所述内层设置于所述外层的内部并且包含导热性比所述外层的导热性高的材料， 所述火花塞的特征在于 所述绝缘体的前端部形成有前端面，所述前端面连接到所述绝缘体的外周面和所述轴向孔，并且所述前端面朝向所述后端侧傾斜， 所述绝缘体的所述前端位于比所述中心电极的所述肩部和所述主体部之间的边界靠前端侧的位置， 所述内层的前端部位于比所述中心电极的所述肩部和所述主体部之间的所述边界靠所述轴线的方向上的前端侧的位置，并且在包含所述轴线的截面中，当 通过使所述轴向孔的外形线朝向前端侧延伸而获得的直线被称为直线LI， 通过使所述绝缘体的所述前端部的外侧面的外形线朝向前端侧延伸而获得的直线被称为直线L2， 通过延伸所述绝缘体的所述前端面的外形线而获得的直线被称为直线L3， 所述肩部的外形线和所述主体部的外形线之间的夹角的二等分线被称为直线L4，且 以直角与所述轴线相交的直线被称为直线L5时， 下述的角度Al、A2、A3、A4和A5分别满足下面的表达式(I)、( 2)、( 3)和(4): Al > 90。…(I)； A2 < 90。…(2)； A4 > A5…(3)；A3 > AP.. (4)， 其中， 所述角度Al为所述直线LI和所述直线L3之间的夹角中的位于所述绝缘体所在侧的夹角的角度； 所述角度A2为所述直线L2和所述直线L3之间的夹角中的位于所述绝缘体所在侧的夹角的角度； 所述角度A3为所述肩部的外形线和所述主体部的外形线之间的夹角的角度； 所述角度A4为所述直线L3和所述直线L5之间的夹角中的鋭角的角度； 所述角度A5为所述直线L4和所述直线L5之间的夹角中的锐角的角度。
2.根据权利要求I所述的火花塞，其特征在干， 在包含所述轴线的截面中，当所述肩部和所述主体部之间的边界点被称为Xl并且所述直线LI和所述直线L3之间的交点被称为X2时，所述边界点Xl和所述边界点X2之间的最短距离为0. 2mm以上。
3.根据权利要求I或2所述的火花塞，其特征在于，所述火花塞包括接地电极，所述接地电极的末端面面对所述中心电极的侧表面， 在包含所述轴线和所述接地电极的所述末端面的中心的截面中，所述直线L3与所述接地电极的所述末端面的外形线的位于所述末端面的所述中心的所述轴线的方向上的前端侧的位置的部分相交。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的火花塞，其特征在于， 在包含所述轴线的截面中，所述直线L4与所述绝缘体的所述前端面的外形线相交。
全文摘要
本发明提供一种火花塞，通过提高耐跳火性实现对异常放电的抑制的同时，实现了耐热性的提高。火花塞(1)包括具有轴向孔(4)的绝缘体(2)、前端位于绝缘体(2)的前端的前端侧的中心电极(5)以及壳体(3)。中心电极(5)具有肩部(52)和主体部(53)并且由外层(5A)和内层(5B)构成。绝缘体(2)的前端部形成有前端面(41)，前端面(41)连接到绝缘体(2)的外周面和轴向孔(4)并且朝向后端侧倾斜，绝缘体(2)的前端位于肩部(52)和主体部(53)之间的边界的前端侧的位置。内层(5A)的前端部位于肩部(52)和主体部(53)之间的边界的前端侧的位置。绝缘体(2)和中心电极(5)上的预定的角度A1、A2、A3、A4和A5被设定为满足A1＞90°，A2＜90°，A4＞A5并且A3＞A1。
文档编号H01T13/52GK102714398SQ20108006121
公开日2012年10月3日 申请日期2010年8月23日 优先权日2010年1月12日
发明者森清辉 申请人:日本特殊陶业株式会社