专利名称：火花塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于内燃机的火花塞，特别是一种小型火花塞，其包括形成有直径小于M10的安装螺纹的金属壳体。
背景技术：
一般而言，相关技术中的火花塞包括一个金属壳体，其形成有用于向发动机上安装的安装螺纹；一个陶瓷绝缘体，其固定安装在金属壳体内侧，以使陶瓷绝缘体的一端从金属壳体的一端伸出；一个中央电极，其固定安装在陶瓷绝缘体的一个轴孔中，以使中央电极的一端从陶瓷绝缘体的一端伸出；以及一个接地电极，其固定安装在金属壳体上，并且其一端通过一个火花放电间隙而与中央电极的一端以面对面的关系安置。
最近，越来越强烈地要求使得发动机具有大功率输出，其中一个圆柱体被成形有一个引入歧管和一个排放歧管，它们连接着直径加大了的引入阀和排放阀，以及一个用于提高冷却水输送能力的水套。
出于这一原因，出现了一种需求，即减小安装在发动机中的火花塞所占据的安装空间，并且确保增加围绕着燃烧室的空间，为此，越来越强烈地要求将火花塞最小化(构造为小直径结构)。
在相关技术中，作为示例，火花塞的安装螺纹的尺寸采用的是基于JIS(日本工业标准)的标准公制螺纹M14。然而，现在需要提供小型化的火花塞，其安装螺纹具有M10以下的小螺纹，如日本实开平5-55490号公报中所公开。
通过这种方式，由于如前所述需要使发动机具有大功率输出，因此发动机具有高压缩比。为了满足这一要求，火花塞需要以高放电电压(要求电压)操作，并且需要承受严酷的环境，以确保耐用电压。
特别地讲，为了试图将火花塞如前所述构造成窄径结构，用于将中央电极与金属壳体彼此电绝缘的陶瓷绝缘体将导致壁厚减小，而这会引起严重的问题，即加大了火花塞耐压能力下降的可能性。
在相关技术中，在陶瓷绝缘体与金属壳体保持接合的区域中，火花塞发生介质击穿，并且火花塞要在上述区域足以确保耐压。然而，由于最近发动机在使用中的运行环境更为严酷，因此介质击穿也会出现在其它区域发生在火花塞中，从而导致需要采取新的对措。
发明内容
本发明是考虑到上述问题而研制的，并且本发明的目的是提供一种火花塞，其上形成有标准公制螺纹M10以下的安装螺纹，该火花塞被构造成具有小直径结构，并且能够确保适宜的耐压。
为了实现上述目的，发明人刻苦地进行了相当多的研究和开发工作。为了确保耐压，可以采用两种应对措施一种措施是增加陶瓷绝缘体的壁厚，另一种措施是使金属壳体与陶瓷绝缘体面对面安置的区域中出现的场强最小化。
采用增加陶瓷绝缘体壁厚的措施将会导致火花塞的直径增大，这与火花塞的小直径要求正好相反。
因此，本发明人考虑使陶瓷绝缘体的壁厚最小化，以变在不增加陶瓷绝缘体壁厚的情况下确保陶瓷绝缘体的耐压。这样，本发明人进行了研究，以找到陶瓷绝缘体的那个部分容易出现介质击穿。
结果，现已发现存在这样的现象，即陶瓷绝缘体的中段部与腰部之间的区域也就是壁厚显著变化的区域出现针孔现象，从而导致介质击穿。下面参照图7中的剖视图中所示的火花塞详细描述该区域。
在图7所示的火花塞中，陶瓷绝缘体20插入金属壳体10的内侧，金属壳体10的上端在卷边部分12处被卷边，以固定保持陶瓷绝缘体20。金属壳体10与陶瓷绝缘体20的圆柱部20c之间的空间中布置着密封部60、61，所述密封部被卷边部分12固定保持就位，以提供出气密性密封效果。
作为陶瓷绝缘体20的一部分，具有最大直径的腰部20d连续形成在圆柱部20c上，二者的段差用来容纳密封部60、61，并且使得金属壳体10的上端可在卷边部分12处被卷边。作为陶瓷绝缘体20的另一部分，中段部20e在靠近火花放电部的一侧(图7中的向下一侧)连续形成在圆柱部20c上，其直径小于腰部20d的直径。
这样，陶瓷绝缘体20形成有腰部20d，其用于使得金属壳体10的上端在卷边部分12处被卷边，以固定陶瓷绝缘体20，并将密封部60、61容纳在陶瓷绝缘体20与金属壳体10之间的空间中；以及中段部20e，其向着火花放电侧延伸，并且其直径较小，以形成一个小径结构。出于这一原因，陶瓷绝缘体20的腰部20d和中段部20e之间存在段差。
此外，一个精细的间隙存在于金属壳体10的内壁与陶瓷绝缘体20之间，用以插入陶瓷绝缘体20，并且金属壳体10的内壁的形状与陶瓷绝缘体20的外轮廓相符合。这样，与陶瓷绝缘体20的腰部20d和中段部20e之间的前述段差相符合，金属壳体10中的与所述段差部分面对面的安置着的区域也呈现为段差结构。
陶瓷绝缘体20的中段部20e是易于出现电场集中的区域，这里的强电场易于在金属壳体10的段差部10e和与之面对的陶瓷绝缘体20的腰部20d和中段部20e间的段差部之间引起火花放电，以导致针孔P出现在陶瓷绝缘体20的段差部20f上，从而引起介质击穿。
因此，本发明人考虑将金属壳体10的段差部10e的段差程度最小化到一定级别，并且利用以(D1-D2)/2表示的段差尺寸作为金属壳体10的段差部10e的段差程度的参数进行了实验，其中D1表示与陶瓷绝缘体20的腰部20d面对面安置着的金属壳体10的轴孔10c的内径，D2表示与陶瓷绝缘体20的中段部20e面对面安置着的金属壳体10的轴孔10d的内径。
结果，可以证实段差尺寸(D1-D2)/2越小，前述出现在金属壳体10的段差部10e的场强越小(见图4)。因此，本发明是在这一认识的基础上产生的。
根据本发明的一个方面，提供了一种火花塞，包括一个金属壳体，其形成有第一孔和直径小于第一孔的第二孔，并且其外周形成有安装螺纹。一个陶瓷绝缘体固定在金属壳体中，使陶瓷绝缘体的一端从金属壳体的一端伸出，陶瓷绝缘体包括一个容纳在金属壳体的第一孔中的最大径部分和一个容纳在金属壳体的第二孔中的小径部分，小径部分的一端从最大径部分开始延伸出来，小径部分的另一端靠近金属壳体的所述一端。最大径部分和小径部分通过间隙而面对着限定了所述第一孔和第二孔的金属壳体内壁。一个中央电极被限定在陶瓷绝缘体中且其一个端部位于陶瓷绝缘体外侧。一个接地电极结合在金属壳体上，所述接地电极的一部分通过一个火花放电间隙面对着中央电极的端部。通过所述间隙而与最大径部分相面对着的金属壳体内壁部分具有内径D1，通过所述间隙而与小径部分相面对着的金属壳体内壁部分具有内径D2，则内径D1和D2满足下述关系(D1-D2)/2小于或等于1.8mm。
这样，火花塞结构中包括金属壳体，其具有第一孔和第二孔以及位于第一孔和第二孔之间的小径部分；陶瓷绝缘体，其固定安装在金属壳体中，以使陶瓷绝缘体的一端从金属壳体的一端伸出，并且陶瓷绝缘体包括容纳在金属壳体的第一孔中的最大径部分和容纳在金属壳体的第二孔中的小径部分；中央电极，其被固定在陶瓷绝缘体中，以使中央电极的一个端部从陶瓷绝缘体的一端伸出；以及接地电极，它的端部通过火花放电间隙与中央电极的端部面对面地安置；所述火花塞具有以下特点(1)陶瓷绝缘体形成有构成腰部的最大径部分，其容纳在金属壳体的第一孔中，以及构成中段部的小径部分，其一端从腰部伸出，另一端靠近陶瓷绝缘体的一端。
(2)陶瓷绝缘体的腰部和中段部分别与金属壳体的第一孔和第二孔面对面地安置并且以第一和第二间隙相隔。
(3)以(D1-D2)/2表示的尺寸关系小于或等于1.8mm，其中D1为金属壳体的第一孔的内径，D2为金属壳体的第二孔的内径。
本发明是基于实验结果而研制出来的，并且通过使以(D1-D2)/2表示的尺寸关系小于或等于1.8mm，可以使火花塞具有适合于实用级别的适宜耐压(见图5)。
这样，本发明可以将火花塞构造成具有小直径结构，并且能够确保适宜的耐压。
此外，对陶瓷绝缘体中段部与金属壳体内壁之间的间隙的大小与出现在金属壳体的段差部的场强之间的关系进行实验研究，本发明人发现如果间隙尺寸下降到特定值以下，则场强急剧上升(见图6)。
根据本发明的另一个方面，金属壳体的第二孔与陶瓷绝缘体的小径部分具有下述尺寸关系(D2-A2)/2的值等于或大于0.05mm且等于或小于0.5mm，其中A2代表陶瓷绝缘体的小径部分的外径。
如果以(D2-A2)/2表示的间隙值超过了0.5mm，则在要求提供小直径结构的情况下，陶瓷绝缘体趋向于具有减小的壁厚，从而导致耐高压的能力下降，且金属壳体趋向于具有减小的壁厚，从而导致强度下降。
也就是说，通过选择以(D2-A2)/2表示的陶瓷绝缘体中段部与金属壳体内壁之间的间隙值，使之等于或大于0.05mm且等于或小于0.5mm，可以防止在金属壳体的小径部分出现场强急剧升高，从而可以确保以更可靠的方式具有耐高压的能力。
根据本发明的另一个方面，提供了一种火花塞，其中火花放电间隙的值等于或小于0.9mm。
通过将火花放电间隙选择为等于或小于0.9mm，可以防止点火电压升高，以防止陶瓷绝缘体的最大径部分和小径部分被施加过高电压，从而可靠地确保耐高压的能力。
根据本发明的另一个方面，提供了一种火花塞，其中中央电极的所述端部包括一个贵金属片，其作为火花放电元件结合在中央电极的所述端部，且其横截面面积的值等于或大于0.07mm2且等于或小于0.55mm2。
作为示例，通过如前所述将火花塞间隙选择为等于或小于0.9mm的较窄值，固定在中央电极的火花放电部上的窄贵金属片可以适当地确保点火空间，从而提高点火能力。此外，可以理解，如果贵金属片太窄，则其太容易耗损，因此需要将其构造为具有一定级别的特定尺寸。
考虑到上述因素，中央电极的贵金属片优选被限定为具有前面描述的横截面面积。
根据本发明的另一个方面，提供了一种火花塞，其中中央电极的贵金属片由Ir合金制成，其含有50重量％或以上的Ir和至少一种添加剂，且熔点高于2000℃。
根据本发明的另一个方面，提供了一种火花塞，其中中央电极的贵金属片中包含的添加剂包括从下面一组成分中选择的至少一种Pt、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re、Al、AL2O3、Y和Y2O3。
在中央电极的贵金属片中包含上述材料和添加剂，可以确保中央电极的贵金属片的适宜的操作时间。
根据本发明的另一个方面，提供了一种火花塞，其中接地电极的一个端部上结合着作为火花放电元件的贵金属片，并且与中央电极的所述端部以面对面的关系布置；所述接地电极的贵金属片的横截面面积的值等于或大于0.12mm2且等于或小于0.80mm2；所述接地电极的贵金属片的片突出量的值等于或大于0.3mm且等于或小于1.5mm。
通过上述结构，固定在接地电极的火花放电部上的窄贵金属片可以适当地提高点火能力，如前面参照中央电极的贵金属片所作描述。
考虑到在接地电极的火花放电部确保点火空间与提高接地电极的贵金属片的耐损耗性这二者之间的相容性问题，接地电极的贵金属片的横截面面积和片突出量优选分别限定为上述值。
根据本发明的另一个方面，提供了一种火花塞，其中接地电极的贵金属片由Pt合金制成，其含有50重量％或以上的Pt和至少一种添加剂，且熔点高于1500℃。
根据本发明的另一个方面，提供了一种火花塞，其中接地电极的贵金属片中包含的添加剂包括从下面一组成分中选择的至少一种Ir、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re。
由于火花塞在接地电极上设有包含前述主要成分和添加剂的贵金属片，可以适宜地确保接地电极的贵金属片的操作寿命。
根据本发明的另一个方面，提供了一种火花塞，其中金属壳体的安装螺纹包括等于或小于标准公制螺纹M10的螺纹。
由于金属壳体的安装螺纹被选择为具有M10以下的值，因此可以提供出用在内燃机中的具有高功率输出的小型火花塞。
根据本发明的另一个方面，提供了一种火花塞，包括一个具有标准公制螺纹M10或以下的安装外螺纹的金属壳体，金属壳体中形成有孔。一个陶瓷绝缘体容纳在金属壳体中，陶瓷绝缘体具有一定长度，从而包含一个端部、一个最大径部分和一个形成在最大径部分与端部之间的小径部分，该端部伸出到金属壳体的孔的外侧，最大径部分和小径部分通过间隙与限定了孔的金属壳体的内壁相面对。一个中央电极限定在陶瓷绝缘体中，其一端位于陶瓷绝缘体的外侧。一个接地电极结合在金属壳体上，该接地电极的一部分通过一个火花间隙即火花放电间隙面对着中央电极的端部。通过所述间隙而与最大径部分相面对着的金属壳体内壁部分具有内径D1，通过所述间隙而与小径部分相面对着的金属壳体内壁部分具有内径D2，则内径D1和D2满足下述关系(D1-D2)/2小于或等于1.8mm。
利用这种结构，可以使火花塞小型化，其具有耐高压能力，从而可提高操作寿命。
为了更好地理解本发明，并且显示其如何发挥作用，下面将参照附图而仅以示例的方式描述根据本发明的特定实施例，在附图中图1是根据本发明实施例的火花塞的局部剖视图；图2是图1所示火花塞的点火部分附近的放大示意性剖视图；图3是图1中的圆圈A中的火花塞区域的放大图；图4是为了确定段差尺寸(D1-D2)/2与场强比之间关系所作的FEM分析的结果曲线图；图5是为了确定段差尺寸(D1-D2)/2的与耐压之间关系所作的FEM分析的结果曲线图；图6是为了确定陶瓷绝缘体中段部与金属壳体内壁之间的间隙中的(D1-D2)/2的值与场强比之间关系所作的FEM分析的结果曲线图；图7是示出了陶瓷绝缘体中如何发生介质击穿的局部剖视图。
具体实施例方式
下面参照附图描述根据本发明实施例的火花塞。
图1是示出了根据本发明实施例的火花塞S1的整体结构的半剖图，图2是示出了火花塞S1的点火部分附近区域的放大结构的半剖图。
火花塞S1被用作汽车发动机的火花塞，发动机具有一个机头(未示出)，机头中限定出发动机的燃烧室，并且机头上形成有螺纹，用于将本实施例的火花塞拧紧而固定就位。
火花塞S1包括由导电钢(例如低碳钢)制成的圆柱形金属壳体10，其外圆周形成有安装螺纹11，用于拧入发动机体(未示出)中。安装螺纹11的规格优选等于或小于JIS(日本工业标准)的标准公制螺纹M10。
金属壳体10中容纳着一个由氧化铝陶瓷(AL2O3)制成的陶瓷绝缘体20，其固定安装在金属壳体10上，且陶瓷绝缘体20的一个末端20a从金属壳体10的一个末端10a伸出。
一个中心电极30固定安装在绝缘体20的第一轴孔20g中，并且以电绝缘状态被金属壳体10牢固保持。
中央电极30包括一个圆柱形本体，其由内部材料和外部材料形成，内部材料由导热率高的金属例如Cu构成，外部材料由耐热和耐腐蚀性优异的金属例如Ni基合金构成。
如图1所示，中央电极30具有一个末端30a，其陶瓷绝缘体20的末端20a伸出。这样，在末端20a从金属壳体10的末端10a伸出的情况下，中央电极30被以电绝缘状态牢固保持在金属壳体10中。
另一方面，立柱形接地电极40由Ni基合金制成，其主要成分为Ni。
在本实施例中，接地电极40采用的是矩形柱的形式。具体地讲，本实施例中的接地电极40包括一个末端40a，其通过焊接而固定安装在金属壳体10的末端10a上，一个中部40b，其弯折成大致L形，以及另一末端40c，其从中部40b横向延伸出来，以使其一个侧表面41与中央电极30的末端30a面对面的安置，二者之间具有火花放电间隙50。
此外，在本实施例中，用作一个火花放电元件的贵金属片35通过激光焊接或电阻焊结合在中央电极30的末端30a上。
此外，用作另一个火花放电元件的贵金属片45通过激光焊接或电阻焊结合在接地电极40的末端40c的侧表面41上，以使贵金属片45与中央电极30的贵金属片35面对面地安置。
作为示例，所述贵金属片35、45被成形为柱状，火花放电间隙50由贵金属片35、45之间的气隙构成。火花放电间隙50的值G优选位于等于或小于0.9mm的范围内。
另外，中央电极30的贵金属片35的横截面面积即与其轴线正交的截面上的面积位于等于或大于0.07mm2且等于或小于0.55mm2的范围内。
此外，中央电极30的贵金属片35优选由Ir(铱)合金制成，其含有50重量％或以上的Ir和至少一种添加剂，且熔点高于2000℃。
此外，包含在中央电极30的贵金属片35中的添加剂的例子可以包括从下面一组成分中选择的至少一种Pt(白金或称铂)、Rh(铑)、Ni(镍)、W(钨)、Pd(钯)、Ru(钌)、Re(铼)、Al(铝)、AL2O3(氧化铝)、Y(钇)和Y2O3(氧化钇)。
此外，接地电极40的贵金属片45的横截面面积即与其轴线正交的截面上的面积位于等于或大于0.12mm2且等于或小于0.80mm2的范围内，并且其突出形成的片突出量位于等于或大于0.3mm且等于或小于1.5mm的范围内。此外，所述片突出量指的是贵金属片45从接地电极40的侧表面41向贵金属片45的末端突出的长度。
此外，接地电极40的贵金属片45优选由Pt合金制成，其含有50重量％或以上的Pt(铂)和至少一种添加剂，且熔点高于1500℃。
此外，包含在接地电极40的贵金属片45中的添加剂的例子可以包括从下面一组成分中选择的至少一种Ir、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re。
图3是图1中的圆圈A中的部分的放大图。如图1和3所示，陶瓷绝缘体20穿过金属壳体10的内侧。通过在金属壳体10的末端10b处进行卷边加工而形成卷边部分12，陶瓷绝缘体20和金属壳体10被彼此牢固限定在一起。
特别地讲，金属壳体10的轴孔10c与陶瓷绝缘体20的上侧圆柱部20c之间限定出一个环形空间22，其内嵌有密封部60、61，以气密性地密封住环形空间22。密封部60包括两个金属环60，二者彼此相隔地安置在环形空间22中，并且二者之间叠加有由滑石粉构成的密封部61。
此外，如图1和3所示，陶瓷绝缘体20包括一个腰部20d，其从上侧圆柱部20c沿续出来且具有最大外径，并且其容纳在金属壳体10的轴孔10c中；以及一个作为中段部的下侧圆柱部20e，其通过一个斜面部分20f而从腰部20d沿续出来。这样，腰部20d构成了陶瓷绝缘体20的最大直径部分，其容纳在金属壳体10的轴孔10c中。
通过使用这种段差形式的腰部20d，可以使得金属壳体10能够在卷边部分12处被卷边成形，且密封部60、61可被容纳在金属壳体10的轴孔10c与陶瓷绝缘体20的上侧圆柱部20c之间的环形空间22中。
此外，如前所述，陶瓷绝缘体20具有中段部20e，其延伸通过陶瓷绝缘体20的腰部20d与末端20a之间的长度，并且容纳在金属壳体10的轴孔10c中。中段部20e的直径小于腰部20d，从而在它们之间形成段差轮廓。
因此，陶瓷绝缘体20形成有段差形式的腰部20d，用于在卷边部分12将金属壳体10卷边，并且将密封部60、61容纳在金属壳体10的轴孔10c与上侧圆柱部20c之间的环形空间22中。此外，如前所述，在靠近陶瓷绝缘体20的末端20a的区域即火花放电侧，陶瓷绝缘体20形成有直径缩小的中段部20e，以形成一个小径结构。
在此，陶瓷绝缘体20的腰部20d、斜面部分20f和中段部20e安置在金属壳体10的内壁中，并且与其相隔一个间隙。该间隙(缝隙)用于使陶瓷绝缘体20容易插入金属壳体10中。
通过将金属壳体10的内壁的形状构造成与陶瓷绝缘体20的外轮廓相对应，金属壳体10在段差部10e处具有一个段差轮廓，该段差部10e对应于陶瓷绝缘体20的腰部20d和中段部20e之间的段差轮廓。
金属壳体10的段差部10e形成了一个电场容易集中的区域。在这一方面，可以设想，在相关技术的火花塞中，高强度电场出现在该段差部10e，从而导致跨越金属壳体10的段差部10e和与金属壳体10的段差部10e面对面安置着的陶瓷绝缘体20的斜面部分20f发生火花放电，这样会在斜面部分20f形成针孔P(见图7)，从而在斜面部分20f产生介质击穿。
为了解决这一问题，本实施例计划将段差减小到一定程度，并且限定一些尺寸关系，如下面所描述。
如图3所示，假定与陶瓷绝缘体20的相关腰部20d面对面安置着的金属壳体10的轴孔10c的内径为D1，与陶瓷绝缘体20的中段部20e面对面安置着的金属壳体10的轴孔10d的内径为D2。那么，作为金属壳体10的轴孔10c和轴孔10d之间段差程度的参数的段差尺寸(尺寸关系)可表示为(D1-D2)/2，其优选位于等于或小于1.8mm的范围内。
另外，如图3所示，在本实施例中，假定陶瓷绝缘体20的中段部20e的外径为A2。那么，金属壳体10的轴孔10d与陶瓷绝缘体20的中段部20e之间的间隙值可表示为(D2-A2)/2。(D2-A2)/2的值优选位于等于或大于0.05mm且等于或小于0.5mm的范围内。
此外，如图3所示，在本实施例中，假定陶瓷绝缘体20的腰部20d的外径为A1，则陶瓷绝缘体20的腰部20d与金属壳体10的轴孔10c之间的间隙值可表示为(D1-A1)/2。
间隙(D1-A1)/2的值优选选自等于或大于0.05mm且等于或小于0.5mm的范围。此外，陶瓷绝缘体20的腰部20d的直径A1代表的是陶瓷绝缘体20的容纳在金属壳体中的区域内的最外周尺寸。
再次转回到图1，陶瓷绝缘体20具有轴孔20g、尺寸比轴孔20d略大的轴孔20h以及形成在所述轴孔20g、20h之间的环形台肩20i。
如图1所示，中央电极30布置在陶瓷绝缘体20的轴孔20g中，并且具有一个布置在陶瓷绝缘体20的轴孔20h中的止挡端30b。中央电极30的止挡端30b支靠在陶瓷绝缘体20的环形台肩20i上，并且借助于填充在陶瓷绝缘体20的轴孔20h中的导电玻璃密封部70而电连接着一个电阻75。
此外，如图1所示，一个终端电极80布置在陶瓷绝缘体20的轴孔20h中，并且其第一端80a通过陶瓷绝缘体20的轴孔20h中的导电玻璃密封部70而电连接着电阻75。终端电极80的第二端80b从陶瓷绝缘体20的另一端20b伸出而暴露在外界。一个点火线圈(未示出)用于安装在终端电极80的第二端80b。
另外，如图1所示，除了被金属壳体10覆盖的小部分以外，陶瓷绝缘体20的圆柱部20c的主要部分从金属壳体10的另一端10b伸出，以形成一个暴露部。在本实施例中，陶瓷绝缘体20的暴露部的轴向长度优选位于等于或大于15mm且等于或小于25mm的范围内。
下面描述本实施例的火花塞中的尺寸关系设定的依据，其中以(D1-D2)/2表示的尺寸关系优选确定在等于或小于1.8mm的范围内，(D2-A2)/2表示的间隙优选确定在等于或大于0.05mm且等于或小于0.5mm的范围内。上述尺寸关系是根据本发明人进行的下述实验研究的结果而得出的。
可以理解，尽管下面的实验是针对安装螺纹11的尺寸为JIS标准公制螺纹M10的火花塞进行的，但其它安装螺纹11小于JIS标准公制螺纹M10的火花塞也具有与实验结果相类似的趋势。
首先，具有图3所示尺寸A1、A2、D1、D2的结构的火花塞对比试验样品被制作出来，具体的尺寸将在下面描述。
每个陶瓷绝缘体20的腰部20d的直径A1(ΦA1)为12.8mm，与腰部20d相面对的金属壳体10的轴孔10c的内周直径D1(ΦD1)为13.1mm，与中段部20e相面对的金属壳体10的轴孔10d的内周直径D2(ΦD2)为6.6mm。在上述尺寸下，段差尺寸(D1-D2)/2等于3.25mm。
此外，在上述对比例中，每个陶瓷绝缘体20的腰部20d与每个金属壳体10的轴孔10c之间的间隙值(D1-A1)/2以及每个陶瓷绝缘体20的中段部20e与金属壳体10的轴孔10d之间的间隙值(D2-A2)/2具备设定为0.15mm。
接下来，对上述火花塞对比例的陶瓷绝缘体20进行耐压试验评估。设定的目标为，即使是在中央电极30与接地电极40之间施加30kV的电压，也不会如图7所示在每个陶瓷绝缘体20的斜面部分20f产生针孔P。
30kV的电压值在实际应用中已是足够高的耐压值，而且可以说，如果在施加了30kV的电压时仍不会出现介质击穿，则从实际应用来看可确保具有足够的耐压。
耐压评估是在20个火花塞对比试验样品进行的，其中发现两个火花塞在被施加了30kV的电压时会发生介质击穿，其结果是难以实现上述目标。也就是说，对比例中的火花塞在确保适宜耐用方面存在困难。
在这一点上，对发生介质击穿的火花塞中的陶瓷绝缘体20进行观察，发现针孔P实际上出现在与斜面部分20f相面对且位于陶瓷绝缘体20的中段部20e和腰部20d之间的斜面部分20f上。
然后，利用FEM分析法(有限元法)分析场强，已证实在与陶瓷绝缘体20的斜面部分20f相面对着的金属壳体10的段差部10e中存在高场强。
也就是说，如前所述，考虑到由于高场强出现在金属壳体10的段差部10e这一电场容易集中的地方，因此火花放电会出现在金属壳体10的段差部10e与陶瓷绝缘体20的斜面部分20f之间，以产生针孔P，从而导致介质击穿。
出于上述原因，本发明人考虑到，为了提高性能，优选将金属壳体10的轴孔10c(直径D1)与轴孔10d(直径D2)之间的段差程度减小到一定级别。基于这一思想，将段差尺寸(D1-D2)/2作为金属壳体10中段差程度的参数对火花塞进行了实验。
首先，FEM分析法(有限元法)被应用在火花塞上，以发现场强随不同段差尺寸(D1-D2)/2的变化。在分析中，与陶瓷绝缘体20的中段部20e相面对的金属壳体10的轴孔10d的内周直径D2是固定的，而与陶瓷绝缘体20的相关腰部20d相面对的金属壳体10的轴孔10c的内径D1是变化的。
在这一点上，陶瓷绝缘体20的腰部20d的直径A1、中段部20e的直径A2以及间隙值(D1-A1)/2和(D2-A2)/2被设定为与前面的对比例相同的值。
特别地讲，与陶瓷绝缘体20的中段部20e相面对的金属壳体10的轴孔10d的内周直径D2的值被固定为6.6mm，而与陶瓷绝缘体20的相关腰部20d相面对的金属壳体10的轴孔10c的内径D1取不同的值13.1mm、12mm、11mm、10.5mm、10mm和9.5mm，以调节段差尺寸(D1-D2)/2。
图4是示出了为确定段差尺寸(D1-D2)/2(单位mm)与场强比之间关系作进行的FEM分析的结果的曲线图。这里，术语“场强比”指的是金属壳体10的段差部10e处的场强，场强比为1指的是前述对比例((D1-D2)/2＝3.25mm)的标准化情况。
从图4中的结果看出，随着段差尺寸(D1-D2)/2减小，金属壳体10的段差部10e出现的场强减小。
基于图4所示结果，制作出实际样品，其中金属壳体10的轴孔10d的内周直径D2被固定为前述值，而金属壳体10的轴孔10c的内径D1取前述不同的值，然后对这些实际样品的陶瓷绝缘体20进行耐压实验。利用n(取值为20)个样品来评估不同段差尺寸(D1-D2)/2的结果。
图5是段差尺寸(D1-D2)/2(单位mm)与耐压(单位kV)之间关系的实验结果曲线图。
图5所示结果表明，如果段差尺寸(D1-D2)/2的值小于1.8mm，则如果有最高为30kV的电压施加在金属壳体10与陶瓷绝缘体20之间，不会在陶瓷绝缘体20中发生介质击穿。也就是说，通过将段差尺寸(D1-D2)/2的值设置为等于或小于1.8mm，陶瓷绝缘体20的耐压值将在30kV以上，并且可以使得火花塞在实际应用级别具有足够的耐压。
基于图4和5中的研究结果，本实施例中的火花塞将以(D1-D2)/2表示的尺寸关系设定为小于1.8mm的值。此外，根据图5中的曲线所示结果，更优选地，本实施例的火花塞的上述值等于或小于1.7mm。
此外，通过对实验样品进行的FEM分析，发现出现在金属壳体10的段差部10e处的场强还受到以(D2-A2)/2表示的金属壳体10的轴孔10d与陶瓷绝缘体20的中段部20e之间的间隙的影响。
图6是对实验样品进行的FEM分析的结果的曲线图，示出了以(D2-A2)/2表示的金属壳体10的轴孔10d与陶瓷绝缘体20的中段部20e之间的间隙(单位mm)与场强比之间的关系。在此，术语“场强比”指的是金属壳体10的段差部10e处的场强，类似于图4中的曲线图。
从图6中的结果可以看出，间隙(D2-A2)/2越小，金属壳体10的段差部10e处的场强越高，并且当所述间隙的值小于0.05时，会导致场强比快速上升。此外，通过增加间隙(D2-A2)/2的值，场强会减小，然而在间隙值超过了0.3mm后，场强就不怎么减小了。
此外，如果间隙(D2-A2)/2的值过度增大，则在火花塞需要确保小直径结构的情况下，可能会在陶瓷绝缘体20中产生薄壁结构，从而导致耐高压的能力下降，或者会在金属壳体10中产生薄壁结构，从而导致强度降低(螺纹脱扣的形式)。因此，间隙(D2-A2)/2的值优选最多为0.5mm。
基于图6中的研究结果，在本实施例中的火花塞中，陶瓷绝缘体20的中段部20e与金属壳体10的轴孔10d之间的间隙(D2-A2)/2优选位于等于或大于0.05mm且等于或小于0.5mm的范围内。
如前所述，在本实施例中，火花塞S1的主要特点是以(D1-D2)/2表示的金属壳体10的段差程度参数位于等于或小于1.8mm的范围内，其中D1为与陶瓷绝缘体20的腰部20d以面对面的关系安置着的金属壳体10的轴孔10c的内周直径，D2为与陶瓷绝缘体20的直径小于腰部20d的中段部20e以面对面的关系安置着的金属壳体10的轴孔10d的内周直径。
利用上述特点，如前所述，可以获得在实际应用级别具有足够耐压的火花塞。也就是说，在本实施例中，火花塞S1被成形为具有标准公制螺纹M10以下的安装螺纹11，从而具有小直径结构，并且能够确保适宜的耐压。
此外，本实施例的火花塞S1的另一个特点是，陶瓷绝缘体20的中段部20e与金属壳体10的轴孔10d之间的间隙(D2-A2)/2位于等于或大于0.05mm且等于或小于0.5mm的范围内，其中A2是陶瓷绝缘体20的中段部20e的直径。
利用上述特点，可以可靠地防止因金属壳体10的段差导致场强异常增加，从而使得陶瓷绝缘体20具有靠为可靠的耐压。
此外，如前所述，本实施例的火花塞预期使其火花放电间隙50的值G优选位于等于或小于0.9mm的范围内。通过这一因素，可以防止点火电压升高，并且可以可靠地防止陶瓷绝缘体20的中段部20e和腰部20d被施加过度高的电压，从而使得陶瓷绝缘体20能够进一步可靠地确保耐压。
根据本发明人对上述因素所进行的研究的结果，发现如果火花放电间隙50的值G大于0.9mm，将会导致出现这样的操作条件，即点火电压(火花放电电压)超过了30kV这一实际应用级别的耐压指标。因此，优选使火花放电间隙50的值G小于0.9mm。
此外，在本实施例的火花塞中，贵金属片35结合在中央电极30的末端30a上以便用作火花放电元件，并且中央电极30的贵金属片35的横截面面积优选设置在等于或大于0.07mm2且等于或小于0.55mm2的范围内。
作为示例，通过将火花放电间隙50设置成小于0.9mm，可以利用设在中央电极30的火花放电部的狭窄贵金属片35来确保形成适宜的点火空间，并且能够提高点火性能。此外，如果贵金属片35的直径太小，则贵金属片的消耗会增加，因此，贵金属片需要具有一定的适宜尺寸。
考虑到上述问题，本实施例的火花塞预期以前面描述的方式设置中央电极30的贵金属片35的横截面面积。
在此，本实施例的火花塞预期使中央电极30的贵金属片35优选由Ir合金制成，其含有50重量％或以上的Ir和至少一种添加剂，且熔点高于2000℃。
此外，包含在中央电极30的贵金属片35中的添加剂的例子可以包括从下面一组成分中选择的至少一种Pt、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re、Al、AL2O3、Y和Y2O3。
通过在中央电极30的贵金属片35中采用上述成分以及在贵金属片35中采用上述添加剂，可以使中央电极30的贵金属片35具有适宜增加的操作寿命。
此外，在本实施例的火花塞中，贵金属片45作为火花放电元件结合在接地电极40的侧表面41上，其横截面面积优选设置在等于或大于0.12mm2且等于或小于0.80mm2的范围内，并且其突出形成的片突出量优选设置在等于或大于0.3mm且等于或小于1.5mm的范围内。
在这一点上，出于与前述设在中央电极30上的贵金属片35相同的理由，接地电极40优选包括狭窄贵金属片45。
考虑到为了确保接地电极40的火花放电部中的点火空间以及为了提高接地电极40的贵金属片45的可消耗性之间这二者之间的相容性，接地电极40的贵金属片45的横截面面积和片突出量优选具有前文中设定的值。
在本实施例的火花塞中，接地电极40的贵金属片45优选由Pt合金制成，其含有50重量％或以上的Pt(铂)和至少一种添加剂，且熔点高于1500℃。
此外，包含在接地电极40的贵金属片45中的添加剂的例子可以包括从下面一组成分中选择的至少一种Ir、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re。
通过在接地电极40的贵金属片45中包含上述成分并且包含上述比例的添加剂，可以确保接地电极40的贵金属片45具有适宜增加的操作寿命。
此外，也可以不像前面描述的那样在中央电极30和接地电极40上分别设置贵金属片35、45。也就是说，可以采用其它替代性结构，例如中央电极30的一端30a和接地电极40的测表面41的端部可以分别用作火花放电元件。
另外，本实施例的火花塞的主要特点是前面提出的尺寸关系，当然，火花塞的其它细节也可以被适宜地改变。
虽然前面详细描述了本发明的特定实施例，但本领域的技术人员可以理解，在这里公开的整体技术的指导下，可以对这些细节作出各种修改和替代。因此，这里公开的特定结构仅仅是解释性的，而不是对本发明的范围构成限制，本发明的充分宽阔的范围仅有权利要求及所有等同替换限定。
权利要求
1.一种火花塞，包括一个金属壳体(10)，其形成有第一孔(10c)和直径小于第一孔的第二孔(10d)，并且其外周形成有安装螺纹(11)；一个陶瓷绝缘体(20)，其固定在金属壳体中，使陶瓷绝缘体的一端(20a)从金属壳体的一端(10a)伸出，陶瓷绝缘体包括一个容纳在金属壳体的第一孔中的最大径部分(20d)和一个容纳在金属壳体的第二孔中的小径部分(20e)，小径部分的一端从最大径部分开始延伸出来，小径部分的另一端靠近金属壳体的所述一端，最大径部分和小径部分通过间隙而面对着限定了所述第一孔和第二孔的金属壳体内壁；一个中央电极(30)，其被限定在陶瓷绝缘体中且其一个端部位于陶瓷绝缘体外侧；一个接地电极(40)，其结合在金属壳体上，所述接地电极的一部分通过一个火花放电间隙(50)面对着中央电极的端部；其中，通过所述间隙而与最大径部分相面对着的金属壳体内壁部分具有内径D1，通过所述间隙而与小径部分相面对着的金属壳体内壁部分具有内径D2，则内径D1和D2满足下述关系(D1-D2)/2小于或等于1.8mm。
2.如权利要求1所述的一种火花塞，其特征在于金属壳体(10)的第二孔(10d)与陶瓷绝缘体(20)的小径部分(20e)具有下述尺寸关系(D2-A2)/2的值等于或大于0.05mm且等于或小于0.5mm，其中A2代表陶瓷绝缘体的小径部分的外径。
3.如权利要求1或2所述的一种火花塞，其特征在于火花放电间隙的值等于或小于0.9mm。
4.如权利要求1、2或3所述的一种火花塞，其特征在于中央电极(30)的所述端部(30a)包括一个贵金属片(35)，其作为火花放电元件结合在中央电极的所述端部，且其横截面面积的值等于或大于0.07mm2且等于或小于0.55mm2。
5.如权利要求1至4中任一所述的一种火花塞，其特征在于中央电极(30)的贵金属片(35)由Ir合金制成，其含有50重量％或以上的Ir和至少一种添加剂，且熔点高于2000℃。
6.如权利要求5所述的一种火花塞，其特征在于中央电极(30)的贵金属片(35)中包含的添加剂包括从下面一组成分中选择的至少一种Pt、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re、Al、AL2O3、Y和Y2O3。
7.如权利要求1至4中任一所述的一种火花塞，其特征在于接地电极(40)的一个端部(40c)结合着作为火花放电元件的贵金属片(45)，并且与中央电极的所述端部以面对面的关系布置；所述接地电极的贵金属片的横截面面积的值等于或大于0.12mm2且等于或小于0.80mm2；所述接地电极的贵金属片的片突出量的值等于或大于0.3mm且等于或小于1.5mm。
8.如权利要求7所述的一种火花塞，其特征在于接地电极(40)的贵金属片(45)由Pt合金制成，其含有50重量％或以上的Pt和至少一种添加剂，且熔点高于1500℃。
9.如权利要求8所述的一种火花塞，其特征在于接地电极(40)的贵金属片(45)中包含的添加剂包括从下面一组成分中选择的至少一种Ir、Rh、Ni、W、Pd、Ru、Re。
10.如权利要求1至4中任一所述的一种火花塞，其特征在于金属壳体的安装螺纹(11)包括等于或小于标准公制螺纹M10的螺纹。
全文摘要
公开了一种火花塞，包括一个金属壳体(10)，其形成有第一和第二孔(10c，10d)以及位于第一和第二孔之间的段差部(10e)，以及一个陶瓷绝缘体(20)，其具有容纳在第一孔中的最大径部分(20d)和容纳在第二孔中的小径部分(20e)。金属壳体的第一孔和第二孔具有下述尺寸关系(D1－D2)/2小于或等于1.8mm，其中D1为第一孔的内径，D2为第二孔的内径。
文档编号H01T13/36GK1610199SQ200410085939
公开日2005年4月27日 申请日期2004年10月25日 优先权日2003年10月24日
发明者金生启二 申请人:株式会社电装