专利名称：具有增强的点燃空气－燃料混合物性能的火花塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机的火花塞。更具体地说，本发明涉及一种汽车内燃机的火花塞的改进结构，确保火花塞(下文被称作火花塞的点火性能)点燃气体—燃料混合物的高性能。
背景技术：
用于内燃机的普通火花塞通常包括金属壳体、绝缘体、中心电极和接地电极。
金属壳体具有螺纹部分，用于将火花塞安装在内燃机的燃烧室内。绝缘体具有形成在其内的中心孔，并被固定在金属壳体内，从而其一端从所述金属壳体的端部突出。中心电极被固定在绝缘体的中心孔内，从而其一端部从所述中心孔内伸出。接地电极具有侧表面，其被连接到金属壳体的端部上，从而该侧表面与中心电极相对，彼此之间存在间距，从而在两者之间形成火花塞间隙。
近些年来，对一种具有更高能量输出的内燃机的需求要求增加发动机的进气阀和排气阀的尺寸，并将水箱固定以便对发动机进行冷却，导致火花塞在发动机内的安装空间被减少，从而要求火花塞是细长的。
例如，在过去，火花塞金属壳体的螺纹部分的外径在JIS(日本工业标准)中被规定为M14；然而现在，在JIS中，所述螺纹部分的外径被要求等于或小于M12。
而且，为了增加功率输出或改善燃料燃烧效率，在发动机设计时，使用高压缩或贫油燃烧类型的发动机。当这种类型发动机的燃烧条件便变差时，碳或其它未燃烧产物将围绕绝缘体的端部而沉积在绝缘体上。这种沉积导致所谓的“积碳”问题。
在细长的火花塞内，气穴的体积，也就是绝缘体的外表面和金属壳体内表面之间的空间，被减少。气穴体积的减少可能导致“表面漂移火花”(surface-creeping spark)，所述表面漂移火花从火花塞的中心电极沿绝缘体的外表面移动，并飞到火花塞的金属壳体上。
当绝缘体被积碳时，由于导电的碳沉积在绝缘体表面上，减少了绝缘体和金属壳体之间的绝缘阻力，这种表面漂移火花在火花塞内更频繁地产生。
为了遏制表面漂移火花的产生，美国专利文献US6,147,441(下文简称为第一参考文献)介绍了一种火花塞，其金属壳体的螺纹部分的外径为10～12毫米。该火花塞规定了尺寸参数的范围，例如放电间隙的长度(火花塞间隙尺寸)、气体体积宽度(也就是气穴尺寸)、绝缘体相对于装配元件(也就是金属壳体)的突出长度、中心电极的直径、贵金属尖端的端部直径(也就是贵金属片)以及贵金属尖端相对于中心电极的突出高度。
此外，为了解决上述积碳问题，美国专利US5,929,556(下文简称为第二参考文献)介绍了另一种类型的火花塞。该火花塞具有下述结构，中心电极从绝缘体的端部缩回，从而，当绝缘体被积碳时，在表面漂移火花产生期间，沉积在绝缘体表面上的碳可以被燃烧。
本发明人通过研究发现，在具有第一参考文献结构的细长火花塞中，即使绝缘体没有被积碳，表面漂移火花的产生也不能被有效地遏制。
图11显示了典型火花塞的火花塞间隙50和其附近。如图所示，该火花塞包括金属壳体10、绝缘体20、中心电极30和接地电极40。本发明人在对上述第一参考文献的火花塞进行研究时所使用的尺寸参数在图11中被标明，这些参数包括中心电极30和绝缘体20之间的间隙X；金属壳体外侧的绝缘体20的表面漂移距离Y；绝缘体20的突出长度Y1；气穴尺寸Z；火花塞间隙尺寸G；以及金属壳体10内绝缘体20的表面漂移距离W。
此外，火花塞的表面漂移火花距离由组合参数(X+Y+Z)表示。
火花塞间隙尺寸G和表面漂移火花距离(X+Y+Z)之间的关系对表面漂移火花的产生有重大影响。具体地说，对于给定的火花塞间隙尺寸G，越大的表面漂移火花距离(X+Y+Z)更有效地遏制表面漂移火花的产生。
然而，当第一参考文献所介绍的结构被应用于细长火花塞时，特别时应用在金属壳体的螺纹部分直径等于或小于10毫米的火花塞时，火花塞的气穴尺寸Z不能具有大值。因而，火花塞的表面漂移火花距离(X+Y+Z)相对于火花塞间隙尺寸G变得过小，火花塞内表面漂移火花的产生不能被有效地遏制。
如上所述，当绝缘体被积碳时，通过在表面漂移火花产生期间，燃烧沉积在绝缘体表面上的碳，第二参考文献所介绍的火花塞被设计用于阻止绝缘体和金属壳体之间绝缘阻值的下降。
然而，对于高压缩或贫油燃烧类型发动机中所使用的火花塞来说，积碳问题变得非常严重。大量的碳沉积出现在围绕绝缘体端部的绝缘体表面上，从而从金属壳体端部突出的绝缘体部分的绝缘阻值下降，导致火花塞短路。
具体地说，在图11中，在中心电极30和绝缘体20之间的间隙X内以及对应于表面漂移距离Y的绝缘体20的表面上出现大量的碳沉积，导致短路。
当碳沉积逐渐出现时，通过将碳沉积燃烧，第二参考文献所介绍的火花塞能够阻止绝缘阻值下降。然而，当快速地出现大量碳沉积时，通过燃烧，不能及时地清除碳沉积。
此外，本发明人通过研究发现，当在火花塞内产生表面漂移火花时，第二参考文献所介绍的火花塞的点火能力将快速下降。
本发明人已经发现，当在火花塞内产生表面漂移火花时，火花塞内的气穴尺寸Z对火花塞的点火性能具有巨大影响。随着气穴尺寸Z的增加，火花塞的点火性能增加。
更具体地说，当在火花塞的气穴内产生表面漂移火花时，随着气穴尺寸Z的增加，气穴内用于点火的空间增大，从而便于在其内点火。相反，随着气穴尺寸Z的减少，气穴内用于点火的空间减少，导致发动机缺火。
第二参考文献所介绍的火花塞实际上被设计用于保持绝缘阻值。然而没有考虑在火花塞内产生表面漂移火花的条件下的火花塞的点火性能。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有改进结构的细长火花塞，即使当绝缘体被积碳时，也确保火花塞的高点火性能。
根据本发明的一个发明，提供火花塞S1，其包括
具有第一端和与所述第一端相反的第二端的中空金属壳体，所述金属壳体具有在外周上的螺纹部分和在第一端敞开的内部空腔，螺纹部分的外径等于或小于10毫米；绝缘体，其具有在绝缘体第一端和与所述第一端相反的第二端之间的长度，绝缘体内部形成有孔，所述绝缘体被固定在所述金属壳体的内部空腔内，所述绝缘体的第一端从所述金属壳体的第一端中突出；被固定在所述绝缘体内孔内的中心电极，所述中心电极的一端从所述绝缘体的第一端中突出；具有侧表面的接地电极，所述接地电极与所述金属壳体的第一端相连，从而所述接地电极的侧表面通过火花塞间隙与所述中心电极的端部相对，其中在确定了所述内部空腔的金属壳体内表面与所述绝缘体外表面之间的距离在第一基准平面上具有最大数值，在一基准平面上具有最小数值，所述第一基准平面沿垂直于所述绝缘体长度的方向延伸穿过所述金属壳体的第一端的内边缘，所述基准平面平行于所述第一基准平面延伸，并与所述第一基准平面保持一定间距，确定下述尺寸关系(X+0.3Y+Z)/G≥2.0Y1≥1.0毫米W/Z≥4.01.25毫米≤Z≤1.55毫米其中，X是在第二基准平面上确定所述孔的所述绝缘体内表面与所述中心电极外表面之间的距离，所述第二基准平面平行于所述第一基准平面延伸并穿过所述绝缘体的第一端的内边缘；
Y是沿绝缘体的第一端和外表面从所述绝缘体的第一端内边缘至所述第一基准平面的最小距离，Y1是在绝缘体的长度方向上从所述绝缘体的第一端至所述金属壳体第一端之间的距离Z是在第一基准平面上所述金属壳体内表面和所述绝缘体外表面之间的距离，G是中心电极的端部和接地电极侧表面之间的火花塞间隙的间距，W是在所述绝缘体的外表面上所述第一基准平面和一第三基准平面之间的最小距离，在所述第三基准平面上，所述金属壳体内表面和所述绝缘体外表面之间的距离与火花塞间隙G具有相同数值，第三基准平面和第一基准平面平行。
对于符合本发明的细长火花塞S1，已经确定(X+0.3Y+Z)/G≥2，从而，当绝缘体没有积碳时，可以遏制在火花塞S1内表面漂移火花的产生，从而，便于在火花塞间隙内稳定地产生正常火花。
此外如上所述，Y1和W/Z的下限值已经被确定，从而当绝缘体积碳时，可以遏制在细长火花塞S1内内部火花的产生，同时便于在细长火花塞S1内产生侧火花。
此外，气穴尺寸Z的尺寸范围已经如上所述被确定，从而即使而当绝缘体积碳时，通过侧火花，细长火花塞S1的点火性能被确保。
因而，当绝缘体被积碳时，火花塞S1的点火性能可以被保证。
此外，在火花塞S1的结构中，所述中心电极端部和接地电极侧表面之间的火花塞间隙间距G是0.4～0.8毫米。
将火花塞间隙间距G设定在上述范围内，当绝缘体没有积碳时，火花塞S1内的表面漂移火花的产生可以被可靠地遏制，同时确保火花塞的高点火性能，根据本发明另一个方面，提供一种火花塞S2，其包括具有第一端和与所述第一端相反的第二端的中空金属壳体，所述金属壳体具有在外周上的螺纹部分和在第一端敞开的内部空腔，螺纹部分的外径等于12毫米；绝缘体，其具有在绝缘体第一端和与所述第一端相反的第二端之间的长度，绝缘体内部也形成有孔，所述绝缘体被固定在所述金属壳体的内部空腔内，所述绝缘体的第一端从所述金属壳体的第一端中突出；被固定在所述绝缘体内孔内的中心电极，所述中心电极的一端从所述绝缘体的第一端中突出；具有侧表面的接地电极，所述接地电极与所述金属壳体的第一端相连，从而，所述接地电极的侧表面通过火花塞间隙与所述中心电极的端部相对，其中在确定了所述内部空腔的金属壳体内表面与所述绝缘体外表面之间的距离在第一基准平面上具有最大数值，在一基准平面上具有最小数值，所述第一基准平面沿垂直于所述绝缘体长度的方向延伸穿过所述金属壳体的第一端的内边缘，所述基准平面平行于所述第一基准平面延伸，并与所述第一基准平面保持指定的间距，确定下述尺寸关系(X+0.3Y+Z)/G≥2.00.4毫米≤G≤1.3毫米Y1≥1.0毫米W/Z≥4.0
1.25毫米≤Z≤1.9毫米其中，X是在第二基准平面上确定内孔的所述绝缘体内表面与所述中心电极外表面之间的距离，所述第二基准平面平行于所述第一基准平面延伸并穿过所述绝缘体的第一端的内边缘；Y是沿绝缘体的第一端和外表面从所述绝缘体的第一端内边缘至所述第一基准平面的最小距离，Y1是在绝缘体的长度方向上从所述绝缘体的第一端至所述金属壳体第一端之间的距离，Z是在第一基准平面上所述金属壳体内表面和所述绝缘体外表面之间的距离，G是中心电极的端部和接地电极侧表面之间的火花塞间隙的间距，W是在所述绝缘体的外表面上所述第一基准平面和一第三基准平面之间的最小距离，在所述第三基准平面上，所述金属壳体内表面和所述绝缘体外表面之间的距离与火花塞间隙G具有相同数值，第三基准平面和第一基准平面平行。
确定上述尺寸关系，即使当绝缘体积碳时，细长火花塞的高点火性能可以被确保。
在火花塞S1和S2的结构中，优选尺寸关系被定义为(X+0.3Y+Z)/G≥2.5。从而，当绝缘体没有积碳时，那些火花塞内的表面漂移火花的产生可以被遏制，便于在那些火花塞的火花塞间隙内产生正常的火花。
而且，在火花塞S1和S2的结构中，优选所述金属壳体在第一端内边缘的内径D和所述金属壳体螺纹部分的外径M满足下述关系(M-D)≥3.0毫米。
在金属壳体的内径M和外径D之间确定上述尺寸关系，可以保证金属壳体端部的表面面积，从而，增强热量从接地电极向金属壳体的传送。因而，可以保证接地电极的热阻。
而且，在火花塞S1和S2的结构中，优选所述中心电极包括第一贵金属片，其一端就是中心电极的端部，在端部，第一贵金属片的横截面面积是0.07～0.4平方毫米。
上述那样确定上述第一贵金属片的横截面面积的尺寸，可以保证那些火花塞的火花塞间隙内用于点燃的空间，同时，第一贵金属片不太薄，不会轻易地被磨损。
第一贵金属片优选由铱基合金制造，在所述铱基合金中，包括重量超过50％的铱以及至少一种添加剂，所述铱基合金的熔点大于2000摄氏度。此外，所述至少一种添加剂从Pt、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re、Al、Al2O3、Y、Y2O3中选择。
通过确定第一贵金属片的材料，可以保证那些火花塞S1和S2的中心电极的长寿命。
而且，在火花塞S1和S2的结构中，优选接地电极包括第二贵金属片，该片的第一端与所述接地电极的侧表面相连，第二端通过火花塞间隙与中心电极的端部相对，第二贵金属片在第二端的横截面面积是0.12～0.80平方毫米，第二贵金属片的第二端与所述接地电极侧表面之间的距离是0.3～1.5毫米。
通过上述那样设定第二贵金属片的尺寸范围，可以保证那些火花塞的火花塞间隙内用于点燃的空间，同时，第二贵金属片不太薄，不会轻易地被磨损。
第二贵金属片最好由铂基合金制成，该合金包括大于50％重量的铂材料以及至少一种添加剂，铂合金的熔点大于1500摄氏度。此外，至少一种添加剂从Ir、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re中选择。
通过确定第二贵金属片的材料，可以保证那些火花塞S1和S2的接地电极的长寿命。
因而，在火花塞S1和S2的结构中，优选所述绝缘体第一端的外边缘由等于或大于0.2毫米的半径修圆。
通过上述那样确定绝缘体第一端的外边缘，在那些火花塞S1和S2内产生表面漂移火花可以被更有效地遏制。
通过下文结合附图对本发明优选实施例所进行的详细介绍，本发明将被更清楚地理解，然而应该理解的是，本发明并不局限于这些实施例，这些实施例仅用于解释和理解本发明。
在附图中图1是一个显示符合本发明第一实施例的火花塞整体结构的部分剖开的横截面侧视图；图2是一个显示图1所示火花塞的火花塞间隙和其附近的放大横截面侧视图；图3是一个图表，显示与本发明第一实施例有关的不同类型被测试样品火花塞的详细参数和它们数值；图4是一个图形，显示了与本发明第一实施例有关的火花塞内的“表面漂移火花”的产生率与结合参数(X+0.3Y+Z)/G之间的关系；图5A是一个图表，显示在与本发明第一实施例有关的研究中被测试的不同类型样品火花塞的详细参数和它们数值；
图5B是一个图形，显示使用图5A所示的这些样品火花塞的研究测试结果；图6是一个图形，显示与本发明第一实施例有关的火花塞内气穴(air pocket)尺寸Z和贫油的极限空气/燃料比之间的关系；图7是一个图形，显示与本发明第一实施例有关的火花塞内火花塞间隙G和贫油的极限空气/燃料比之间的关系；图8A一个图表，显示在与本发明第一实施例有关的试验中不同类型被测试火花塞的详细参数和它们数值；图8B是一个图形，显示半径R和在使用图8A所示样品火花塞进行试验中所获得的“表面漂移火花”发生率之间关系；图9是一个图表，显示在与本发明第二实施例有关的试验中被测试的不同类型样品火花塞的详细参数和它们数值；图10是一个图形，显示与本发明第二实施例有关的火花塞内气穴尺寸Z和贫油的极限空气/燃料比之间的关系；图11是显示典型火花塞内火花塞间隙和其附近的部分横截面侧视图；图12A是显示在火花塞中的侧火花轨迹的视图；图12B是显示在火花塞中内部火花轨迹的视图。
具体实施例方式
下文结合图1～12介绍本发明优选实施例。
应该指出的是，为了简明和便于理解，在本发明不同实施例中具有相同功能的相同元件在每个附图中采用相同的附图标记表示。
(第一实施例)图1显示了本发明第一实施例的火花塞S1的整体结构。
火花塞S1被设计用于汽车的内燃机。利用设置在发动机缸盖(未示)上的螺纹孔，将火花塞安装在发动机的燃烧室(未示)内而实现火花塞S1在内燃机上的安装。
如图1所示，火花塞S1包括金属壳体10、绝缘体20、中心电极30和接地电极40。
圆柱形金属壳体10由诸如低碳钢的导电金属材料制成。金属壳体10在外周上具有如上所述用于将火花塞S1装配在发动机燃烧室内的螺纹部分12。
金属壳体10的螺纹部分12的外径等于或小于10毫米。该数值范围对应于JIS(日本工业标准)所规定的M10范围。
由氧化铝陶瓷(Al2O3)制造的管状绝缘体20被固定并部分地包含在金属壳体10内，从而，绝缘体20的端部从金属壳体10的一端11突出。
圆柱形中心电极30由诸如铜的高导热金属材料作为芯部材料且由诸如镍(Nickel)基合金材料的高热阻、耐蚀金属材料作为材料覆层材料。
中心电极30被固定在绝缘体20的中心孔22内，从而与金属壳体10隔离。中心电极30与绝缘体20一起被部分地包含在金属壳体10内，从而中心电极30的端部31a从绝缘体20的端部21突出。
由主要包含镍的镍基合金制成的接地电极40是柱形，例如在该实施例中，是大致L形棱柱。
接地电极40的一端例如通过焊接被连接到金属壳体10上。接地电极的另一端具有与中心电极的端部31a相对的侧表面42。
参考图2，中心电极30包括第一圆柱贵金属片(chip)31，其端部就是中心电极30的端部31a。第一圆柱贵金属片31在端部31a具有横截面区域S1，其面积最好是0.07～0.4平方毫米。
在该实施例中，通过激光焊接，第一圆柱贵金属片31被连接到中心电极30的基底材料上。
第一圆柱贵金属片31最好由铱基合金制成，该合金包括大于50％重量的铱材料以及至少一种添加剂，该合金的熔点大于2000摄氏度。
而且，最好一种添加剂从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。
接地电极40包括第二圆柱贵金属片41，其第一端被连接到接地电极40的侧表面42上，第二端通过火花塞间隙50与第一圆柱贵金属片31的端部31a相对。
接地电极40的第二圆柱贵金属片41在第二端具有横截面区域S2，其面积最好是0.12～0.80平方毫米。第二圆柱贵金属片41的第二端与接地电极40的侧表面42之间的距离t2最好是0.3～1.5毫米。
在该实施例中，通过激光焊接，第二圆柱贵金属片41被连接到接地电极40的侧表面42上。
第二圆柱贵金属片41最好由铂基合金制成，该合金包括大于50％重量的铂材料以及至少一种添加剂，铂合金的熔点大于1500摄氏度。
第二圆柱贵金属片41的至少一种添加剂最好从Ir、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re中选择。
另外，也可以使用诸如电阻焊接、等离子焊接和粘接等其它连接措施分别将第一圆柱贵金属片31和第二圆柱贵金属片41连接到中心电极30和接地电极40上。此外，在该实施例中具有圆柱形状的两个贵金属片31和41也可以具有棱柱形状。
第一圆柱贵金属片31的端部31a和第二圆柱贵金属片41的第二端彼此间隔，在两者之间形成火花塞间隙50。火花塞间隙50具有空间G，其大小将在下文介绍。
应该指出的是，绝缘体20的端部21的锐利外边缘趋向于围绕它诱发强电场，因而，便于在火花塞上产生表面漂移火花(surface-creepingsparks)。因而，绝缘体20的端部21的外边缘由圆角R修圆。
而且，如图2所示，气穴被形成在金属壳体10内表面下部和绝缘体20外表面的下部之间。在气穴中，金属壳体10的内表面和绝缘体20的外表面之间的距离在基准平面101上具有最大值，从基准平面101朝向气穴内侧的方向递减。基准平面101被确定为通过金属壳体10端部11的内边缘垂直于绝缘体20纵向地延伸的平面。
上文已经介绍了火花塞S1的基本元件，在下文将定义和介绍图2所示的尺寸参数G、W、X、Y、Y1、Z。
X是确定中心孔22的绝缘体20的内表面与基准平面202上中心电极30的外表面之间的距离，基准平面202平行于基准平面101并通过绝缘体20的端部21内边缘延伸(下文将X简称为中心电极30和绝缘体20之间的间距)。
Y是沿端部21和绝缘体20的外表面从绝缘体20的端部21的内边缘到基准平面101的最小距离(下文将Y简称为金属壳体10外侧的绝缘体20的表面漂移距离)。
Y1是沿绝缘体20的纵向从绝缘体20的端部21到金属壳体10的端部11的距离(下文简称为绝缘体20的突出长度)。
Z是在基准平面101上金属壳体10的内表面和绝缘体20的外表面之间的距离(简称为气穴尺寸Z)。
G是第一圆柱贵金属片31的端部31a和第二圆柱贵金属片41的第二端之间的火花塞间隙50的空间(下文简称火花塞间隙尺寸G)。
W是在基准平面101和与基准平面101平行的基准平面303之间的绝缘体20外表面上的最小距离。在基准平面303上，金属壳体10内表面和绝缘体20外表面之间的距离与火花塞间隙50的空间G具有相同的数值(简称为金属壳体10内部的绝缘体20的表面漂移距离W)。
此外，由(X+0.3Y+Z)表示的组合参数被使用，研究如何有效地遏制在火花塞间隙S1内产生的表面漂移火花。
鉴于发明人下述考虑，使用上述参数。
为了确保火花塞S1的高点火性能，当绝缘体20没有被积碳时，必须在火花塞内遏制表面漂移火花的产生，从而，可以在火花塞间隙50内可靠地产生正常的火花。
如上所述，相对于给定的火花塞间隙尺寸G，更大的表面漂移火花距离(X+Y+Z)更有利于遏制表面漂移火花的产生。而且从经验中已经知道，相对于相同的火花间隙，产生表面漂移火花所需的火花电压是在火花塞间隙50内产生正常火花所需电压的0.3倍。
因而，本发明人使用参数(X+0.3Y+Z)试验地研究在火花塞S1内如何有效地遏制表面漂移火花的产生。具体地说，本发明人一直研究比值(X+0.3Y+Z)/G的效果，该比值表示在遏制表面漂移火花产生时表面漂移火花距离与火花塞间隙尺寸G的比值。
当绝缘体20积碳时，为了确保火花塞S1的高点火性能，必须首先认识到存在两种不同图案的表面漂移火花。一种图案是“侧火花”，其飞到毗邻金属壳体10的端部11的金属壳体10的内表面部位上；另一种图案是“内部火花”，其飞到确定火花塞内气穴内部的金属壳体10的内表面部位上，两种表面漂移火花图案分别在图12A和12B中被显示。
在图12A中，侧火花的轨迹由虚线显示，从中心电极30沿绝缘体20的外表面运动，飞过气穴到达毗邻金属壳体10端部11的金属壳体10的内表面上。
在图12B中，内部火花的轨迹也由虚线表示，从中心电极30沿绝缘体20的外表面运动，飞过气穴到达与中心电极30外表面一起确定气穴内部的金属壳体10的内表面部位上。
从图12B中可以清楚看到，在内部火花情况下，在气穴内部点火的空间非常小，从而点火不能成功。因而，当火花塞S1的绝缘体20积碳时，必须阻止内部火花的产生，从而确保火花塞S1的点火性能。
换句话说，当火花塞S1的绝缘体20积碳时，要求所产生的表面漂移火花是侧火花，从而在燃烧室内点燃气体燃料混合物，而不是在火花塞S1内点燃气体燃料混合物。
当绝缘体20的突出长度Y1非常大时，表面漂移火花难以到达气穴的内部，从而，表面漂移火花将变成侧火花，而不变成内部火花。
具体地说，在图2中，火花塞S1的气穴内部被确定为基准平面303上方的气穴部分，在此处，更容易产生内部火花。如上所述，在基准平面303上的金属壳体10内表面和绝缘体20的外表面之间距离具有与火花塞间隙尺寸G相同的数值。
小的表面漂移距离W表示气穴的内部靠近金属壳体10的端部11，从而便于内部火花的产生。
换句话说，大的表面漂移距离W有利于遏制内部火花的产生。因而，考虑表面漂移距离W与气穴间隙尺寸Z之间的平衡，在研究中一直使用比值W/Z。
本发明人因而研究当火花塞S1的绝缘体20积碳时，两个参数Y1和W/Z对在细长火花塞S1内遏制内部火花产生的作用。
如上所述，要求细长火花塞S1的气穴间隙尺寸Z具有较大数值，从而，火花塞S1的点火性能可以由侧火花确保。然而同时，当气穴间隙尺寸Z过大时，将导致内部火花，而不是侧火花。因而，本发明人一直研究气穴间隙尺寸Z与细长火花塞S1的能力之间的关系，以便通过侧火花点燃气体燃料混合物。
根据本发明人研究的结果，构成本实施例火花塞S1的结构特征的上述参数之间的尺寸关系已经被确定。
为了研究，制造20个不同类型的k1～k20的样品火花塞。所有样品火花塞被包含具有外径为10毫米的螺纹部分12的金属壳体10。换句话说，所有样品火花塞都是细长的。每种样品火花塞的上述参数数值被显示在图3的图表内。每种类型火花塞表面漂移火花产生率也被显示在通过研究所获得的同一个图表内。
应该理解的是，下文所显示的研究结果是金属壳体10的螺纹部分12的外径为10毫米时火花塞S1的结果。然而试验已经证明，当外径小于10毫米时，也可以获得同样的趋势和类似的结果。
首先，参数(X+0.3Y+Z)/G与表面漂移火花产生率之间的关系已经被试验确定，以便当绝缘体20没有积碳时，遏制在火花塞S1上产生表面漂移火花。
在上述测定中，样品火花塞K1～K20在下述条件下被测试，那些火花塞被安装在其内的压力腔内的压力是0.8MPa，放电间隔是30HZ。使用这种测试条件模仿发动机的实际加速条件，此时，所要求的电压很高，趋向于产生表面漂移火花。在上述测定中被测试的所有样品火花塞的绝缘体20没有积碳。
图4显示了测定结果。在图中也标明20％的目标发生率，这是具有带14毫米外径的金属壳体螺纹部分的典型火花塞内表面漂移火花发生率。
从图4中可以看到，当参数(X+0.3Y+Z)/G大于2.0时，表面漂移火花发生率被遏制，低于20％。
更具体地说，当绝缘体20没有积碳时，满足(X+0.3Y+Z)/G≥2.0的尺寸关系，在细长火花塞S1内，表面漂移火花的产生可以被遏制。因而，火花塞S1内火花塞间隙50内的正常火花的产生可以被增强。
其次，两个参数Y1和W/Z以及内部火花产生率之间的关系已经被试验测定，以便当绝缘体20积碳时，遏制内部火花产生率，便于火花塞S1内部火花的产生。
在测定中，样品火花塞K5～K11被测试，通过有意地在中心电极30和绝缘体20之间间隙内以及在与表面漂移距离Y对应的绝缘体20的外表面上堆积碳，那些样品火花塞被有意积碳。每种类型尺寸参数的数值被显示在图5A所示图表内，每种类型的内部火花发生率也被显示在同一个图表中。
图5B图解地显示测定结果，在图中，参数W/Z被改变，相对于三种不同的突出长度Y10.6毫米、1.0毫米和2.5毫米，确定内部火花的产生率。不同突出长度Y1的结果被区别，用圆点表示0.6毫米，用方形点表示1.0毫米，用三角形点表示2.5毫米。
从图5B中可以看到，当绝缘体20的突出长度Y1等于或大于1.0毫米时，参数W/Z等于或大于4.0时，内部火花发生率是0％，也就是，内部火花被完全遏制。
更具体地说，当绝缘体20积碳时，满足尺寸关系Y1≥1.0毫米，W/Z≥4.0，在细长火花塞S1内，内部火花的产生可以被遏制，同时便于产生侧火花。
最后，气穴尺寸Z和火花塞S1通过侧火花点燃气体燃料混合物的性能之间的关系已经被试验测定。
图6显示了测定结果。在图中，火花塞的点火性能由当气体燃料混合物由侧火花点燃时所获得的贫油极限空气/燃料比表示。更大的贫油极限空气/燃料比表示火花塞高的点火性能。
从图6中可以看到，当气穴尺寸Z是1.25～1.55毫米时，贫油极限空气/燃料比保持很高的水平。当气穴尺寸Z小于1.25毫米时，贫油极限空气/燃料比急剧下降。当气穴尺寸Z下降时，用于点火的空间变得太小，火焰不能传播，因而导致上述下降。相反，当气穴尺寸Z大于1.25毫米时，贫油极限空气/燃料比也可以下降，由于过大的气穴尺寸Z诱发内部火花，而不诱发侧火花，因而导致所述下降。
更具体地说，当绝缘体20积碳时，满足1.25毫米≤Z≤1.55毫米的尺寸关系，通过在火花塞内产生侧火花，细长火花塞S1的点火性能被确保。
进行总结，符合本发明的火花塞S1，其包括具有外径等于或小于10毫米的螺纹部分12的金属壳体10，其结构特征是，包括间隙X、表面漂移距离Y、绝缘体20的突出长度Y1、气穴尺寸Z、另一个表面漂移距离W的尺寸参数满足下述尺寸关系(X+0.3Y+Z)/G≥2.0；Y1≥1.0毫米；W/Z≥4.0；以及1.25毫米≤Z≤1.55毫米。
即使当绝缘体20积碳时，上述结构确保细长火花塞S1的高点火性能。
此外，为了增强火花塞S1的点火性能，火花塞间隙尺寸G的适合范围已经被试验确定。
参考图3，三个样品火花塞类型k18、k19和k20具有不同的火花塞间隙尺寸G，相对于所有其它参数，具有相同数值。发明人认为，这些火花塞类型之间表面漂移火花发生率的差异起因于它们之间的火花塞间隙尺寸G的差异。
从图3可以看到，当火花塞间隙尺寸G的等于或小于0.8毫米时，表面漂移火花发生率是0％。更具体地说，当绝缘体20没有积碳时，火花塞S1内表面漂移火花的发生可以被完全遏制。
此外，分别具有减少的火花塞间隙尺寸G也就是0.6毫米、0.5毫米、0.4毫米和0.3毫米的样品火花塞类型20被制造，以便确定火花塞间隙尺寸G的下限。那些样品火花塞与火花塞k18、k19和k20一起被测试。
图7显示了根据火花塞间隙尺寸G和贫油极限空气/燃料比之间关系的测试结果。如上所述，更大的贫油极限空气/燃料比代表火花塞高的点火性能。
从图7可以看到，当火花塞间隙尺寸G等于或大于0.4毫米时，贫油极限空气/燃料比保持高的水平。更具体地说，在绝缘体20没有积碳时，火花塞S1的高点火性能可以被确保。
因而，当火花塞S1的火花塞间隙尺寸G是0.4～0.8毫米时，在绝缘体20没有积碳的条件下遏制表面火花漂移的产生的同时，火花塞S1的高点火性能可以被确保。
已经介绍过，绝缘体20的锐利外边缘趋向于诱发围绕其的强电场，从而，便于在火花塞S1内产生表面漂移火花。
因此，在本实施例中，绝缘体20端部21的外边缘由圆角R修圆，通过试验研究确定R的范围。
具有不同大小R的样品火花塞K19在研究中被测试。那些样品火花塞参数的详细数值被显示在图8A中。
图8B显示了研究结果。在研究中，那些表面漂移火花被观察，它们从中心电极30沿绝缘体20端部21移动，并沿绝缘体20的横向直接飞到接地电极40上。
如图8B所示，当半径R等于或大于0.2毫米时，表面漂移火花的产生被有效地遏制。更具体地说，当绝缘体20端部21的外边缘由等于或大于0.2毫米的半径R修圆时，火花塞S1内的表面漂移火花的产生被有效地遏制。
应该指出的是，图3所示类型的所有样品火花塞k1～k20的圆角半径R等于0.4毫米。
此外，要求火花塞S1的金属壳体10在端部11具有适当大的横截面面积，以便确保接地电极40的热阻。
优选的是，在火花塞S1的结构中，金属壳体10在端部11的内边缘的内径D和金属壳体10的螺纹部分12的外径M满足下述尺寸关系(M-D)≥3.0毫米对上述尺寸关系进行具体说明，金属壳体10的端部11的表面区域可以被确保，从而增强了从接地电极40向金属壳体10传送热量，因而，接地电极40的热阻也可以被确保。
此外，火花塞S1的火花塞间隙50具有上述0.4～0.8毫米的小火花塞间隙尺寸G。最好第一贵金属片31是薄的，以便确保足够的点燃空间。然而，同时，当第一贵金属片31太薄时，将容易被磨损。
因而，第一贵金属片31在端部31a的横截面面积的最佳范围已经被说明，从而S1是0.07～0.4平方毫米。
此外如上所述，第一贵金属片31的最佳材料已经被说明，从而，可以确保火花塞S1的中心电极30的长寿命。
此外，第二贵金属片41的横截面面积的最佳范围和突出长度t2已经被确定，从而S2是0.12～0.80平方毫米，t2是0.3～1.5毫米。因而，火花塞S1内可用于点燃的空间被保证，同时，第二贵金属片41不是很薄，不会被轻易地磨损。
因而，如上所述，第二贵金属片41的最佳材料已经被说明，从而，也可以确保火花塞S1的接地电极40的长寿命。
(第二实施例)符合在先实施例的火花塞S1包括具有螺纹部分12的金属壳体10，所述螺纹部分12的外径等于或小于10毫米。在本实施例中，火花塞S2包括具有螺纹部分12的金属壳体10，所述螺纹部分12的外径等于12毫米。
应该指出的是，火花塞S2的螺纹部分12、外径12毫米对应于JIS内所规定的M12。
火花塞S2的结构几乎等同于火花塞S1的结构，也可以参照图1和2进行介绍。从而，在本实施例中，仅介绍火花塞S2的结构与火花塞S1的结构之间的差异。
由于火花塞S2的金属壳体10的螺纹部分12的外径不同于火花塞S1的金属壳体10的螺纹部分12的外径。火花塞S2的结构中的尺寸参数可能不满足火花塞S1的结构中的相同尺寸关系。
根据本发明人研究的结果，构成符合本实施例火花塞S2的结构特征的参数尺寸关系已经被确定。
首先，相对于尺寸关系(X+0.3Y+Z)/G≥2.0，获得与火花塞S1相同的趋向和类似结果。从而，该关系也适用于火花塞S2。
其次，基于图9所示的测试结果，火花塞S2内的火花塞间隙尺寸G的尺寸范围已经被研究。
样品火花塞K21～K23在研究中被测试。样品火花塞K21～K24内的表面漂移火花产生率小于5％，在图9中，样品火花塞K24内的表面漂移火花产生率为15％。更具体地说，当火花塞间隙尺寸G等于或小于1.3毫米时，火花塞S2内的表面漂移火花的产生可以被有效地遏制，从而，便于在火花塞间隙50内产生正常的火花。
火花塞S2内火花塞间隙尺寸G的下限已经被试验确定，与火花塞S1的相同，都是0.4毫米，以便确保火花塞S2的点火性能。
因而，火花塞S2内火花塞间隙尺寸G的尺寸范围是0.4毫米≤G≤1.3毫米。因而在绝缘体20没有积碳时，可以确保火花塞S2的高点火性能，同时确保遏制火花塞S2内表面漂移火花的产生。
第三，相对于两个参数Y1和W/Z以及内部火花产生率之间的关系，获得与火花塞S1相同的趋向和结果。因而，Y1≥1.0毫米和W/Z≥4.0也适合于火花塞S2。
最后，基于图10所示测试结果，火花塞S2内的气穴尺寸Z的尺寸范围已经被研究。
从图10可以看到，当气穴尺寸Z大于1.9毫米时，由于产生内部火花，火花塞的点火性能急剧下降。
虽然图10中未示，当气穴尺寸Z小于1.25毫米时，由于火花塞内用于点燃的空间减少，火花塞的点火性能也急剧下降。
因而，火花塞S2内的气穴尺寸Z的尺寸范围已经被设定为1.25毫米≤Z≤1.9毫米。因而，当绝缘体20积碳时，细长火花塞S2通过侧火花点燃气体燃料混合物的能力可以被确保。
总结如下，符合本实施例的火花塞S2包括带外径为12毫米的螺纹部分的金属壳体10，其结构特征是，包括间隙X、表面漂移距离Y、绝缘体20的突出长度Y1、气穴尺寸Z、另一个表面漂移距离W的尺寸参数满足下述尺寸关系(X+0.3Y+Z)/Z≥2.0；0.4毫米≤G≤1.3毫米；Y1≥1.0毫米；W/Z≥4.0；以及1.2毫米≤Z≤1.9毫米即使当绝缘体20积碳时，上述结构确保细长火花塞S2的高点火性能。
此外，通过上述实施例中其它优选方式而获得的其它效果也可以在火花塞S2内被获得。
(其它实施例)上文已经介绍了本发明特殊实施例，本领域普通技术人员应该理解的是，在不脱离本发明精神范围内，可以进行不同的改进、改变和改善。
例如在上述实施例中，第一和第二贵金属片31和41分别通过激光焊接被连接到中心电极30和接地电极40的基底材料上。
然而也可以使用其它焊接措施，例如电阻焊、等离子焊接和胶粘。
此外，中心电极30和接地电极40可能分别不包括两个贵金属片31和41。
除了上述实施例中所确定的基本尺寸关系之外，在设计火花塞S1和火花塞S2时，其它详细的尺寸范围和/或关系可以被适合地修改或改变。
本领域普通技术人员所进行的其它这些改进、改变和改善均被权利要求书所覆盖。
权利要求
1.一种火花塞，包括具有第一端和与所述第一端相反的第二端的中空金属壳体，所述金属壳体还具有在其外周上的螺纹部分和在第一端敞开的内部空腔，螺纹部分的外径等于或小于10毫米；绝缘体，其具有在绝缘体第一端和与所述第一端相反的第二端之间的长度，绝缘体内部形成有孔，所述绝缘体被固定在所述金属壳体的内部空腔内，所述绝缘体的第一端从所述金属壳体的第一端中突出；被固定在所述绝缘体内孔内的中心电极，所述中心电极的一端从所述绝缘体的第一端中突出；具有侧表面的接地电极，所述接地电极与所述金属壳体的第一端相连，从而所述接地电极的侧表面通过火花塞间隙与所述中心电极的端部相对，其中在确定了所述内部空腔的金属壳体内表面与所述绝缘体外表面之间的距离在第一基准平面上具有最大数值，在一基准平面上具有最小数值，所述第一基准平面沿垂直于所述绝缘体长度的方向延伸穿过所述金属壳体的第一端的内边缘，所述基准平面平行于所述第一基准平面延伸并与所述第一基准平面保持一定间距，以及确定下述尺寸关系(X+0.3Y+Z)/G≥2.0；Y1≥1.0毫米；W/Z≥4.0；以及1.25毫米≤Z≤1.55毫米，其中，X是在一第二基准平面上确定所述孔的所述绝缘体内表面与所述中心电极外表面之间的距离，所述第二基准平面平行于所述第一基准平面延伸并穿过所述绝缘体的第一端的内边缘；Y是沿绝缘体的第一端和外表面从所述绝缘体的第一端内边缘至所述第一基准平面的最小距离，Y1是在绝缘体的长度方向上从所述绝缘体的第一端至所述金属壳体第一端之间的距离Z是在第一基准平面上所述金属壳体内表面和所述绝缘体外表面之间的距离，G是中心电极的端部和接地电极侧表面之间的火花塞间隙的间距，W是在所述绝缘体的外表面上在所述第一基准平面和一第三基准平面之间的最小距离，在所述第三基准平面上，所述金属壳体内表面和所述绝缘体外表面之间的距离与火花塞间隙G具有相同数值，第三基准平面和第一基准平面平行。
2.如权利要求1所述火花塞，其特征在于所述中心电极端部和接地电极侧表面之间的火花塞间隙的间距G是0.4～0.8毫米。
3.如权利要求1所述火花塞，其特征在于尺寸关系被定义为(X+0.3Y+Z)/G≥2.5。
4.如权利要求1所述火花塞，其特征在于所述金属壳体在第一端内边缘的内径D和所述金属壳体螺纹部分的外径M满足下述关系(M-D)≥3.0毫米。
5.如权利要求1所述火花塞，其特征在于所述中心电极包括贵金属片，其一端就是中心电极的端部，在端部，所述贵金属片的横截面面积是0.07～0.4平方毫米。
6.如权利要求5所述火花塞，其特征在于所述中心电极的贵金属片由铱基合金制造，在所述铱基合金中，包括重量超过50％的铱以及至少一种添加剂，所述铱基合金的熔点大于2000摄氏度。
7.如权利要求6所述火花塞，其特征在于所述至少一种添加剂从Pt、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re、Al、Al2O3、Y、Y2O3中选择。
8.如权利要求1所述火花塞，其特征在于所述接地电极包括贵金属片，所述片的第一端与所述接地电极的侧表面相连，第二端通过火花塞间隙与中心电极的端部相对，所述接地电极的贵金属片在第二端的横截面面积是0.12～0.80平方毫米，所述接地电极的贵金属片的第二端与所述接地电极侧表面之间的距离是0.3～1.5毫米。
9.如权利要求8所述火花塞，其特征在于所述接地电极的贵金属片最好由铂基合金制成，该合金包括大于50％重量的铂材料以及至少一种添加剂，铂合金的熔点大于1500摄氏度。
10.如权利要求9所述火花塞，其特征在于至少一种添加剂从Ir、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re中选择。
11.如权利要求1所述火花塞，其特征在于所述绝缘体第一端的外边缘由等于或大于0.2毫米的半径修圆。
12.一种火花塞，包括具有第一端和与所述第一端相反的第二端的中空金属壳体，所述金属壳体具有在外周上的螺纹部分和在第一端敞开的内部空腔，螺纹部分的外径等于12毫米；绝缘体，其具有在绝缘体第一端和与所述第一端相反的第二端之间的长度，绝缘体内部也形成有孔，所述绝缘体被固定在所述金属壳体的内部空腔内，所述绝缘体的第一端从所述金属壳体的第一端中突出；被固定在所述绝缘体内孔内的中心电极，所述中心电极的一端从所述绝缘体的第一端中突出；具有侧表面的接地电极，所述接地电极与所述金属壳体的第一端相连，从而所述接地电极的侧表面通过火花塞间隙与所述中心电极的端部相对，其中在确定了所述内部空腔的金属壳体内表面与所述绝缘体外表面之间的距离在第一基准平面上具有最大数值，在一基准平面上具有最小数值，所述第一基准平面沿垂直于所述绝缘体长度的方向延伸穿过所述金属壳体的第一端的内边缘，所述基准平面平行于所述第一基准平面延伸，并与所述第一基准平面保持指定的间距，以及确定下述尺寸关系(X+0.3Y+Z)/G≥2.0；0.4毫米≤G≤1.3毫米；Y1≥1.0毫米；W/Z≥4.0；以及1.25毫米≤Z≤1.9毫米其中，X是在第二基准平面上确定所述孔的所述绝缘体内表面与所述中心电极外表面之间的距离，所述第二基准平面平行于所述第一基准平面延伸并穿过所述绝缘体的第一端的内边缘；Y是沿绝缘体的第一端和外表面从所述绝缘体的第一端内边缘至所述第一基准平面的最小距离，Y1是在绝缘体的长度方向上从所述绝缘体的第一端至所述金属壳体第一端之间的距离，Z是在第一基准平面上所述金属壳体内表面和所述绝缘体外表面之间的距离，G是中心电极的端部和接地电极侧表面之间的火花塞间隙的间距，W是在所述绝缘体的外表面上所述第一基准平面和一第三基准平面之间的最小距离，在所述第三基准平面上，所述金属壳体内表面和所述绝缘体外表面之间的距离与火花塞间隙G具有相同数值，第三基准平面和第一基准平面平行。
13.如权利要求12所述火花塞，尺寸关系被定义为(X+0.3Y+Z)/G≥2.5。
14.如权利要求12所述火花塞，其特征在于所述金属壳体在第一端内边缘的内径D和所述金属壳体螺纹部分的外径M满足下述关系(M-D)≥3.0毫米。
15.如权利要求12所述火花塞，其特征在于所述中心电极包括贵金属片，其一端就是中心电极的端部，在端部，所述中心电极的贵金属片的横截面面积是0.07～0.4平方毫米。
16.如权利要求15所述火花塞，其特征在于所述中心电极的贵金属片由铱基合金制造，在所述铱基合金中，包括重量超过50％的铱以及至少一种添加剂，所述铱基合金的熔点大于2000摄氏度。
17.如权利要求16所述火花塞，其特征在于所述至少一种添加剂从Pt、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re、Al、Al2O3、Y、Y2O3中选择。
18.如权利要求12所述火花塞，其特征在于所述接地电极包括贵金属片，所述片的第一端与所述接地电极的侧表面相连，第二端通过火花塞间隙与中心电极的端部相对，所述接地电极的贵金属片在第二端的横截面面积是0.12～0.80平方毫米，所述接地电极的贵金属片的第二端与所述接地电极侧表面之间的距离是0.3～1.5毫米。
19.如权利要求18所述火花塞，其特征在于所述接地电极的贵金属片最好由铂基合金制成，该合金包括大于50％重量的铂材料以及至少一种添加剂，铂合金的熔点大于1500摄氏度。
20.如权利要求19所述火花塞，其特征在于至少一种添加剂从Ir、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re中选择。
21.如权利要求12所述火花塞，其特征在于所述绝缘体第一端的外边缘由等于或大于0.2毫米的半径修圆。
全文摘要
一种火花塞包括金属壳体、绝缘体、中心电极和接地电极。所述金属壳体具有外径等于或小于10毫米或等于12毫米的螺纹部分，用于将火花塞安装在内燃机内。诸如中心电极和绝缘体之间距离X、金属壳体外侧的表面漂移距离Y、绝缘体突出长度Y1、气穴尺寸Z和金属壳体内的表面漂移距离W的火花塞结构的尺寸参数满足通过本发明试验所确定的尺寸关系。当绝缘体积碳时，该结构确保火花塞点燃气体燃料混合物的高性能。
文档编号H01T13/20GK1599163SQ20041007973
公开日2005年3月23日 申请日期2004年9月16日 优先权日2003年9月16日
发明者金生启二, 冈部伸一 申请人:株式会社电装