内燃机用火花塞的制作方法

专利名称：内燃机用火花塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机用火花塞。
背景技术：
如车辆发动机等的内燃机用火花塞包括例如中心电极、设置在中心电极外侧的绝缘体、布置在所述绝缘体外侧的筒状金属壳体、以及后部与所述金属壳体的前端面接合的接地电极。接地电极的截面呈大体矩形形状，且接地电极被布置成使其前端部内侧面面向中心电极的前端面。因此，在中心电极的前端部和接地电极的前端部之间形成火花放电间隙。
在金属壳体的外周面上形成螺纹部(未示出)。火花塞以金属壳体的螺纹部旋入在发动机气缸盖中形成的塞开口的内螺纹的方式安装在发动机上。当火花塞安装成使得空气燃料混合物暴露至接地电极的背面时，存在空气燃料混合物向火花放电间隙的流入被接地电极妨碍的可能性。结果，火花塞的点火性不可能稳定。
另一方面，传统技术公开了具有两个或多个接地电极的火花塞，其中每个接地电极呈截面为大体圆形的柱状(例如，日本特开平11-121142号公报)。因此，通过使接地电极形成为截面是大体圆形的，即使在空气燃料混合物暴露至接地电极的背面的情况下，空气燃料混合物也不可能从接地电极剥离(exfoliate)并且通过流向接地电极的内侧容易地到达火花放电间隙。

发明内容
本发明要解决的问题然而，由于接地电极被接合到金属壳体的前端面，所以圆形接地电极的截面积必须比矩形接地电极的截面积小。结果，接地电极的所谓的散热(heat sinking)能力(散热性)劣化，接地电极的温度在高速运转等时趋于上升。因此，接地电极经受相当大的腐蚀，导致其耐久性差。
因此，考虑到接地电极由两层结构形成，该两层结构由外层和内层构成，该外层由抗氧化能力优良的镍合金构成，该内层由导热性比外层好的金属(例如，铜系金属)构成。然而，当构成外层和内层的材料不同时，由于外层和内层之间的热膨胀系数不同，而趋于发生接地电极的变形(即“回弹”，springback)，由此可能影响火花放电间隙。具体地，当接地电极的外径相对小时(例如，2mm或更小)，由这种变形引起的火花塞的缺陷很可能出现。
考虑到上述问题完成了本发明，本发明的一个目的是提供一种内燃机用火花塞，该火花塞能够防止空气燃料混合物流入到火花放电间隙从而防止点火性变差，以及防止对火花放电间隙的任何影响并提高火花塞的耐久性。
解决问题的方法在下文中，将依照主题说明用于解决上述问题的适当构成。注意，如果需要，则把本发明的适当效果补入到相应的构成。
构成1。根据该构成的火花塞包括中心电极；绝缘体，其至少部分包围中心电极；筒状金属壳体，其至少部分包围绝缘体；接地电极，其布置成一端接合到金属壳体的前端面，而另一端面向中心电极的前端面；以及火花放电间隙，其形成在中心电极的前端面与接地电极的前端部之间，其中，接地电极被构造成至少其前端部的宽度朝向其背面减小，该背面距该接地电极的中心电极侧最远，该接地电极的该前端部位于火花放电间隙的中心的前面，其中，接地电极的至少火花放电的部分具有由镍合金制成的外层和由导热性比外层好的纯铜或铜合金制成的内层，以及其中，内层的截面积与接地电极的整个截面积的比率为10％～35％。
构成2。根据该构成的火花塞包括中心电极；绝缘体，其至少部分包围中心电极；筒状金属壳体，其至少部分包围绝缘体；接地电极，其布置成一端接合到金属壳体的前端面，而另一端面向中心电极的前端面；以及火花放电间隙，其形成在中心电极的前端面与接地电极的前端部之间，其中，接地电极至少在其前端部具有2mm以下的宽度，该接地电极的该前端部位于火花放电间隙的中心的前面，并且接地电极在其距中心电极侧最远的背面具有凸状曲面，其中，接地电极的至少火花放电的部分具有由镍合金制成的外层和由导热性比外层好的纯铜或铜合金制成的内层，以及其中，内层的截面积与接地电极的整个截面积的比率为10％～35％。
注意，可以在接地电极或中心电极的至少一个上设置贵金属顶端(tip)。当仅在中心电极上设置贵金属顶端时，在彼此相对的贵金属顶端和接地电极之间形成火花放电间隙。当仅在接地电极上形成贵金属顶端时，在彼此相对的贵金属顶端和中心电极之间形成火花放电间隙。当在接地电极和中心电极上都设置贵金属顶端时，在彼此相对的贵金属顶端之间形成火花放电间隙。另一方面，当在中心电极或接地电极上都未设置贵金属顶端时，在彼此相对的中心电极的前端面和接地电极的内侧面之间形成火花放电间隙。
此外，接地电极的截面不必呈圆形，而接地电极可以被构造成至少其前端部的宽度朝向其与中心电极侧相反的背面而减小，该前端部位于火花放电间隙的中心的前面。因此，凸状曲面可以形成在接地电极的与中心电极侧相反的背面。当接地电极被构造成至少在其背面具有这种减小的宽度时，空气燃料混合物很可能流入接地电极的内侧，由此空气燃料混合物可以容易地到达火花放电间隙。此外，在截面呈矩形的传统接地电极中，“减小的宽度”意味着不是简单地对接地电极的角部进行倒角的构造，而是沿着与宽度(即接地电极的厚度)垂直的方向使宽度减小1/4以上的构造。
此外，本文中涉及的“宽度”是指在与火花塞的长度方向垂直的方向(即，与金属壳体的前端面平行的方向)上的宽度和当从中心电极(接地电极的前端面)看接地电极时的投影宽度。此外，本文中的“铜合金”是含铜超过50质量％的合金。
根据构成1和2，接地电极被构造成至少其前端部的宽度朝向其背面而减小，该前端部位于火花放电间隙的中心的前面(特别地，在构成2中，接地电极具有2mm以下的宽度并在其与中心电极侧相反的背面具有凸状曲面)。因此，即使在空气燃料混合物直接暴露于接地电极的背面的情况下，空气燃料混合物也可通过流向接地电极的内侧而容易地到达火花放电间隙。结果，可以防止火花塞的点火性变差。
接地电极的至少火花放电的部分具有由镍合金制成的外层和由导热性比外层好的纯铜或铜合金制成的内层。具有这种外层，提高了抗氧化的耐久性。而且，具有这种内层，散热能力变好，并且可以防止由于在高速运转时接地电极的温度上升而引起的故障，诸如由于接地电极的腐蚀而造成的火花放电间隙的增大。
根据构成1，在接地电极的至少火花放电的部分中，内层截面积与接地电极的整个截面积的比率是10％～35％。在内层截面积与接地电极的整个截面积的比率低于10％的情况下，散热能力不足，接地电极的腐蚀量变大。另一方面，当内层截面积与接地电极的整个截面积的比率超过35％时，由于外层和内层之间的热膨胀系数不同，而趋于发生接地电极的变形(即“回弹”)，由此可能影响火花放电间隙。根据内层截面积与接地电极整个截面积的比率是10％～35％的构造1，散热能力变好，并且可防止接地电极的回弹，由此防止接地电极的腐蚀和由于回弹对火花放电间隙造成的影响。结果，可提高火花塞的耐久性。
构成3。根据该构成的火花塞包括中心电极；绝缘体，其至少部分包围中心电极；筒状金属壳体，其至少部分包围绝缘体；接地电极，其布置成一端接合到金属壳体的前端面，而另一端面向中心电极的前端面；以及火花放电间隙，其形成在中心电极的前端面与接地电极的前端部之间，其中，接地电极至少在其前端部具有2mm以下的宽度，并且被构造成该宽度朝向接地电极的背面减小，该背面距该接地电极的中心电极侧最远，该接地电极的该前端部位于火花放电间隙的中心的前面，其中，接地电极的至少火花放电的部分具有由镍合金制成的外层和由导热性比外层好的纯铜或铜合金制成的内层，其中，内层的截面积与接地电极的整个截面积的比率为20％以上，以及其中，外层的厚度为0.2mm以上。
构成4。根据该构成的火花塞包括中心电极；绝缘体，其至少部分包围中心电极；筒状金属壳体，其至少部分包围绝缘体；接地电极，其布置成一端接合到金属壳体的前端面，而另一端面向中心电极的前端面。该火花塞还包括火花放电间隙，其形成在中心电极的前端面与接地电极的前端部之间，其中，该接地电极至少在其前端部具有2mm以下的宽度，该接地电极的该前端部位于火花放电间隙的中心的前面，并且该接地电极在其距中心电极侧最远的背面具有凸状曲面，其中，接地电极的至少火花放电的部分具有由镍合金制成的外层和由纯度比外层高且导热性比外层好的镍合金或纯镍制成的内层，其中，内层的截面积与接地电极的整个截面积的比率为20％以上，以及其中，外层的厚度为0.2mm以上。
基本上，构成3和4可获得与构成1相似的效果。具体地，接地电极的至少火花放电的部分具有由镍合金制成的外层和由纯度比外层高且导热性比外层好的镍合金或纯镍制成的内层。具有这种外层，提高了抗氧化的耐久性。而且，具有这种内层，散热能力变好，并且可防止由于在高速运转时接地电极的温度上升而造成的故障，诸如由于接地电极的腐蚀而造成的火花放电间隙的增大。
根据构成3和4，在接地电极的至少火花放电的部分中，内层截面积与接地电极整个截面积的比率是20％以上，并且外层的厚度是0.2mm以上。在内层截面积与接地电极整个截面积的比率低于20％的情况下，散热能力不好，接地电极的腐蚀量变大。另一方面，即使内层截面积与接地电极的整个截面积的比率在一定程度上比构成1中的大，因为内层和外层都包含镍，所以由于外层和内层之间的热膨胀系数不同而造成的对接地电极的影响小。然而，当内层截面积与接地电极的整个截面积的比率相当大时，外层的厚度变小。薄的外层可能导致破损。另一方面，根据内层截面积与接地电极的整个截面积的比率是20％以上、且外层的厚度是0.2mm以上的构成2，散热能力变好，由此防止接地电极的腐蚀和外层的破损。结果，可提高火花塞的耐久性。
关于外层的厚度，理想的是提供以下构成5。
构成5。在构成1～4中的任一个构成中，根据构成5的火花塞，假设火花放电间隙的距离记作G(mm)，中心电极的前端部的直径记作D(mm)，当接地电极沿着中心电极的中心轴线从接地电极的前端面侧投影时，外层中离中心电极最近的点和内层中离中心电极最近的点之间的距离记作T0(mm)，则，在从中心电极的中心轴线起的±[(D/2)+G]的范围内，距离T0满足表达式0.2mm≤T0≤0.5mm。
这里，±[(D/2)+G]的范围是主要与“进行火花放电的部分”相对应的范围，即，在构成1～4中的任一个构成中容易产生火花放电的范围。在构成5中，假设当接地电极沿着中心电极的中心轴线从接地电极的前端面侧投影时，外层中离中心电极最近的点和内层中离中心电极最近的点之间的距离记作T0(mm)，距离T0满足表达式0.2mm≤T0≤0.5mm。当距离T0小于0.2mm时，存在薄外层可能破裂(破损)的可能性。另一方面，当距离T0超过0.5mm时，因为具有优良散热性的内层远离火花放电间隙，所以接地电极中的进行火花放电的部分趋于达到高温。结果，由于接地电极腐蚀而造成的火花放电间隙的增大很可能发生。然而，根据满足表达式0.2≤T0≤0.5的构成5，散热能力变好，由此防止由于接地电极的腐蚀而对火花放电间隙造成的影响，也防止外层的破损。结果，可提高火花塞的耐久性。
可使内层相对于接地电极偏心。在该情况下，理想的是具有以下构成6。
构成6。在构成1～5中的任一个构成中，根据构成6的火花塞，假设接地电极和中心电极沿着中心电极的中心轴线从接地电极的前端面侧投影，分别从中心电极前端的两个外缘引出相对于接地电极的外周线彼此不相交的切线，该外周线被接点分为两部分，以将其中一部分定义为中心电极侧，而将另一部分定义为背面侧，则，内层偏心，使得外层的最薄部位于接地电极的背面侧。
根据构成6，内层偏心，使得外层的最薄部位于接地电极的背面侧。由于具有优良散热性的内层向附近布置燃烧室的接地电极的背面侧偏心，因此可期望更有效的散热能力。特别地，在满足构成5的情况下，因为内层没有极端偏心，而只是有些偏心，所以可防止产生火花放电的部分的破损，并且促进燃烧室中的有效散热能力。
此外，可以如下使内层相对于接地电极偏心。
构成7。在构成1～6中的任一个构成中，根据构成7的火花塞，假设接地电极和中心电极沿着中心电极的中心轴线从接地电极的前端面侧投影，分别从中心电极前端的两个外缘引出相对于接地电极的外周线彼此不相交的切线，接地电极的前端部被包括连接切线的两个接点的线段的与接地电极的前端面垂直的平面分为两部分用作中心电极侧的内侧部和用作与中心电极相反的侧的外侧部，其中，在接地电极的前端部中，位于外侧部的外侧内层的体积Vo比位于内侧部的内侧内层的体积Vi大。
根据构成7，可以使形成在接地电极的前端部中的内层朝向外侧偏心并布置在内侧。利用该构成，接地电极的前端部的外侧内层积极地将来自燃烧室中心附近的部分的热量传导到金属壳体。此外，由于接地电极的前端部具有内侧内层，因此可以避免通过接地电极的前端部的内侧释放由外侧外层从燃烧室中心接收的热量，由此可以防止由从形成在火花放电间隙之间的初始火焰中心(initial flame kernel)吸入大量热而引起的任何点火故障。此外，当接合到接地电极的贵金属顶端暴露于火花放电间隙时，在使用中可以避免极端热循环，由此提高该顶端的耐久性。


现在将参照附图仅示例性地对本发明的实施例进行说明，其中图1是示出根据实施例的火花塞的全部构成的局部剖主视图；图2是示出根据实施例的火花塞的主要构成部分的局部剖主视图；图3是示出从与图2的方向垂直的方向看的火花塞的侧视图；图4是示出从前端侧看的火花塞的俯视图；图5A是示出沿着中心电极的中心轴线从接地电极的前端面侧投影的接地电极和中心电极的图；图5B是示出放大的图2的主要部分的说明图；图6是示出根据第一实施例的间隙增量与内层的截面积比率之间的关系的图；图7是示出根据第二实施例的间隙增量与内层的截面积比率之间的关系的图；图8A、8B、8C是根据另一实施例的说明图，示出沿着中心电极的中心轴线从接地电极的前端面侧投影的接地电极和中心电极的图；图9A、9B是根据另一实施例的说明图，示出沿着中心电极的中心轴线从接地电极的前端面侧投影的接地电极和中心电极的图；图10示出根据另一实施例的接地电极的侧面形状；图11是示出根据另一实施例的接地电极的部分截面。
附图标记说明1金属壳体2绝缘体3中心电极4、53接地电极4A外层4B内层33火花放电间隙具体实施方式
第一实施例将参照附图对本发明的第一实施例进行说明。图1是示出根据本实施例的火花塞的全部构成的局部剖主视图，图2是示出主要构成部分的局部剖主视图。以下，将主要参照图2对本发明进行说明。
如图2等所示，根据本实施例的火花塞100由金属壳体1、绝缘体2、中心电极3和接地电极4构成。尽管没有赋予专门的附图标记，还设置有通过位于绝缘体2的后端侧的电阻器或玻璃密封(glass seal)部而电连接到中心电极3的接触端子等。金属壳体1呈筒状，并通过滑石、填充物(packing)等在金属壳体1中保持绝缘体2。绝缘体2的前端部从金属壳体1突出。中心电极3布置在绝缘体2内侧，使得形成在中心电极3前端的贵金属顶端31从绝缘体2突出。此外，接地电极4的后端面被焊接到金属壳体1的前端面，在长度方向上位于接地电极4的中间部位的弯曲部5朝向中心方向弯曲。配置接地电极4，使得其前端部内侧面面向中心电极3的前端面。面向贵金属顶端31的贵金属顶端32形成在接地电极4的内侧面。此外，在贵金属顶端31和贵金属顶端32之间形成的间隙用作火花放电间隙33。
绝缘体2由例如氧化铝制成的致密烧结的陶瓷构成，用于容纳中心电极3的孔6沿着绝缘体2的轴向形成在绝缘体2中。金属壳体1呈筒状，并由如低碳钢等金属制成。此外，金属壳体1构成火花塞100的外壳，并具有形成螺纹部7的外周面，该螺纹部7用于将火花塞100安装在发动机的气缸盖(未示出)上。
接地电极4的主体具有由外层4A和内层4B构成的两层结构。本实施例中的外层4A由如Inconel 600和Inconel 601(注册商标)等镍合金构成。另一方面，内层4B由导热性比镍合金好的纯铜构成。这种内层4B可促进接地电极4的散热能力(稍后详细说明)。在本实施例中，中心电极3的主体也具有由外层和内层构成的两层结构。
形成在中心电极3上的贵金属顶端31由贵合金构成，该贵合金包括例如铱作为主要成分、铂-10质量％、铑-3质量％、和镍-1质量％。形成在接地电极4上的贵金属顶端32由贵合金构成，该贵合金包括例如铂作为主要成分、铱-20质量％、铑-5质量％。然而，这些成分仅作为例子，对成分没有限制。以预定形状(例如柱状)形成的各贵金属顶端31、32都沿着其外缘接触面通过激光焊接、电子束焊接、电阻焊接等焊接到金属壳体3或接地电极4。
虽然在本实施例中，贵金属顶端31和32分别形成在中心电极3和接地电极4上，但贵金属顶端可以设置在接地电极4或中心电极3上。当仅在中心电极3上形成贵金属顶端31时，在彼此相对的贵金属顶端31和接地电极4之间形成火花放电间隙。当仅在接地电极4上形成贵金属顶端32时，在彼此相对的贵金属顶端32和中心电极3之间形成火花放电间隙。另一方面，当在中心电极3或接地电极4上没有设置贵金属顶端时，在彼此相对的中心电极3的前端面和接地电极4的内侧面之间形成火花放电间隙。
根据本实施例的接地电极4具有两层结构，其中，主体部由如上所述的外层4A和内层4B构成。如图2、3和4所示，接地电极4的截面呈圆形，接地电极4的外径L(即，在与火花塞100的长度方向垂直的方向(与金属壳体的前端面平行的方向)上的宽度，该宽度是当从中心电极3(接地电极4的前端面)看接地电极4时的投影宽度)是2mm或更小(例如，1.7mm)。
在上文中已经说明了外层4A由镍合金构成，内层4B由纯铜构成。内层4B到达(暴露至)接地电极4的前端面，内层4B的截面积与接地电极4的整个截面积的比率在10％～35％的范围内(例如，本实施例是25％)。
如图5A和5B所示，假设火花放电间隙33的距离记作G(mm)；中心电极3的前端部(在本实施例中是贵金属顶端31)的直径记作D(mm)；当接地电极4沿着中心电极3的中心轴线C1从接地电极4的前端面侧投影时，外层4A中离中心电极3最近的点P2与内层4B中离中心电极3最近的点P1之间的距离记作T0(mm)，则在从中心电极3的中心轴线C1起的±[(D/2)+G]的范围内(即在容易产生火花放电的范围内)，距离T0是0.2mm～0.5mm。
将简要说明用于制造如上所述构造的火花塞100的方法。首先，预先制备金属壳体1。也就是，利用冷锻加工在柱状金属材料(例如，铁系材料或不锈钢材料如S15C或S25C)中设置通孔，以生产金属壳体1的初始体。然后，通过切削加工修整这样制造的主体的外形，以形成金属壳体中间体。
接着，通过电阻焊接使接地电极4接合到金属壳体中间体的前端部。此时焊接的接地电极4呈直棒状，还没有被弯曲。例如，可以如下获得接地电极4。在第一步中，构成内层4B的铜芯布置在构成外层4A的镍合金杯中或插入到镍合金筒状体中，由此形成杯形组件或具有芯鞘结构的筒形组件。然后，使用模具等对这样形成的组件进行压出成形(extrusionmolding)，以使比最终直径大一些的直径稍微变细。接下来，在第二步中，对中间材进行型锻加工，以使其直径变细。注意，可以采用利用型模等的拔丝加工(wire drawing process)代替型锻加工以使中间材变细。因此，制造出由外层4A和内层4B构成的直棒状接地电极4。
另外，由于电阻焊接导致所谓的“消弱部(rundown)”，所以在去除“消弱部”之后，通过轧制加工在中间金属壳体的预定部位形成螺纹部7。这样，制造出接地电极4焊接到的金属壳体1。将镀锌或镀镍应用于接地电极4焊接到的金属壳体1。注意，可对这样电镀后的金属壳体1进一步进行镀铬，以提高其抗腐蚀性。
此外，通过电阻焊接、激光焊接等将贵金属顶端32接合到接地电极4的前端部。为了实现可靠的焊接，在焊接加工之前，去除焊接区域中的镀层，或者作为选择，在电镀过程中对用于焊接的区域应用掩模(masking)。此外，可以在组装过程(稍后说明)之后进行顶端焊接。
另一方面，与金属壳体1分开地通过成形加工形成绝缘体2。例如，使用氧化铝作为主要成分和粘结剂等的原料粉末混合物来制备成形用未加工颗粒体。对颗粒体进行橡胶压制以形成筒状成形体。然后，对这样形成的成形体进行研磨加工以加工其外部。在炉中烧结这样研磨后的成形体以完成绝缘体2。
中心电极3与金属壳体1和绝缘体2分开制造。也就是说，对镍合金进行锻造加工，将铜芯布置在这样锻造的合金的中心，以提高散热性能。然后，通过电阻焊接、激光焊接等将贵金属顶端31接合到该芯的前端部。
然后，将这样形成的具有贵金属顶端31的中心电极3和端子接头(未示出)布置在绝缘体2的孔6中，并通过玻璃密封材料(未示出)固定在绝缘体2的孔6中。通常，使用硼硅玻璃和金属粉末的混合物作为玻璃密封物。然后，在中心电极3被容纳在绝缘体2的孔6中时，将制备好的玻璃密封物注入绝缘体2的孔6。然后，将端子接头从后侧压入孔6，在炉中烧制这样的组装体。此时，可同时烧制形成在绝缘体2的后端侧的鼓状部分表面上的釉层，或者可以预先形成釉层。
然后，组装这样形成的中心电极3、这样形成的设置有端子接头的绝缘体2和包括接地电极4的金属壳体1。更详细地，对形成得相对较薄的金属壳体1的后端部进行冷弯边(caulking)或热弯边，使得绝缘体2的一部分被金属壳体1从圆周方向包围并保持。
最后，通过使接地电极4弯曲来形成和限定在中心电极3(贵金属顶端31)与接地电极4(贵金属顶端32)之间形成的火花放电间隙33。
通过这一系列工序，制造出具有上述构成的火花塞100。
接下来，制造各具有不同条件的各种样品，以评估第一实施例的效果。下文将说明结果。
制备具有外径L为1.7mm、1.5mm和1.3mm的三种类型的接地电极的样品(火花塞)。而且，每种类型的样品具有不同的内层直径(截面积)。将样品安装在具有2000cc排气量的直列式四缸发动机上，进行100,000km行程的耐久性试验。注意，中心电极的贵金属顶端的直径D是0.6mm，采用铱合金(Ir-5Pt)作为贵金属顶端的材料。外径L为1.7mm、1.5mm和1.3mm时的评估结果(关于回弹的有无、火花放电间隙(为了方便下文称为“间隙”)的增量)分别如表1、2和3所示。此外，间隙的增量和、内层截面积与接地电极的截面积的比率之间的关系如图6所示。
内层截面积与接地电极的截面积的比率如下测定。首先，从前端方向拍摄接地电极的图像以测定其截面积。在进行耐久性试验之后，观察包括中心电极的中心线的接地电极的中心线(前端部延伸的方向)的截面以测定内层的截面积。在此，基于这两个值，算出内层截面积的比率。仅在接地电极具有均匀直径时可采用上述方法。然而，当接地电极的截面积沿着长度方向不同时，可以采用如三维透射成像(所谓的CT扫描)等方法。
关于表中的“回弹”，当在耐久性试验之后观察到接地电极的任何变形时，表示为“有”。当没有观察到变形时，表示为“无”。关于间隙的增量，当间隙的增量是0.3mm或更大时，火花塞的放电电压迅速上升(即，放电需要高电压)，由此随着放电时对电极的冲击量变大，电极的腐蚀加快。因此，在100,000km行程的耐久性试验之后的间隙的增量必须控制在0.3mm以下。当在评估中发生任何回弹时，不测定间隙的增量。
表1

表2

表3

如表1～表3和图6所示，在内层截面积与接地电极的截面积的比率小于10％(表1中的样品1、2，表2中的样品11，表3中的样品19)的情况下，间隙的增量是0.3mm以上。当内层截面积与接地电极的截面积的比率超过35％(表1中的样品8、9、10，表2中的样品16、17、18，表3中的样品23、24)时，观察到回弹。另一方面， 当内层截面积与接地电极的截面积的比率在10％～35％的范围内(表1中的样品3、4、5、6、7，表2中的样品12、13、14、15，表3中的样品20、21、22)时，既不会观察到0.3mm以上的间隙增量，也不会观察到回弹。
根据本实施例，在内层4B的截面积与接地电极4的整个截面积的比率在10％～35％的范围内的情况下，散热能力变得良好，可防止接地电极的回弹，由此防止接地电极4的腐蚀，也可防止由于回弹对火花放电间隙造成的影响。结果，可提高火花塞的耐久性。
第二实施例接下来，将说明本发明的第二个实施例。在该实施例中，与第一实施例相同的任何部分都由相同的附图标记表示，并省略其详细说明。将主要说明与第一实施例不同的部分。
根据本实施例的火花塞也由金属壳体1、绝缘体2、中心电极3和接地电极4构成。在本实施例中，接地电极4的构成与第一实施例的不同。
与第一实施例相似，接地电极4的主体具有由外层4A和内层4B构成的两层结构，并且本实施例中的外层4A也由如Inconel 600等的镍合金构成。另一方面，第二实施例中的内层4B由导热性比外层4A好的高纯镍(例如，纯镍包括不可避免的成分)构成。
根据第二实施例的接地电极4的截面也呈圆形，其外径L(即，在与火花塞100的长度方向垂直的方向(与金属壳体的前端面平行的方向)上的宽度，该宽度是当从中心电极3(接地电极4的前端面)看接地电极4时的投影宽度)是2mm或更小(例如，1.7mm)。
此外，内层4B的截面积与接地电极4的整个截面积的比率设定为20％以上(例如，在本实施例中为25％)。然而，尽管关于截面积的最大比率没有特别限制，但外层4A的厚度T(参照图5B)设定为0.2mm以上。
在第二实施例中，假设当接地电极4沿着中心电极3的中心轴线C1从接地电极4的前端面侧投影时，外层4A中离中心电极3最近的点P2与内层4B中离中心电极3最近的点P1之间的距离记作T0(mm)，则在从中心电极3的中心轴线C1起的±[(D/2)+G]的范围内(即在容易产生火花放电的范围内)，距离T0是0.2mm～0.5mm。
接下来，与第一实施例相似，制造各具有不同条件的各种样品，以评估第二实施例的效果。下文将说明结果。
制备具有外径L为1.7mm、1.5mm和1.3mm的三种类型的接地电极的样品(火花塞)。每种类型的样品具有不同的内层直径(截面积)。将样品安装在具有2000cc排气量的直列式四缸发动机上，进行100,000km行程的耐久性试验。注意，中心电极的贵金属顶端的直径D是0.6mm，采用铱合金(Ir-5Pt)作为贵金属顶端的材料。外径L为1.7mm、1.5mm和1.3mm时的评估结果(关于外层破损的有无和间隙的增量)分别如表4、5和6所示。此外，间隙增量和内层截面积与接地电极截面积的比率之间的关系如图7所示。
然而，关于“外层的破损”，当任何破损发生时，表示为“NG”，当没有破损发生时，表示为“OK”。与第一实施例相似，间隙的增量必需控制在0.3mm以下。当外层的任何破损发生时，不测定间隙增量。
表4

表5

表6

如表4～表6和图7所示，在内层截面积与接地电极截面积的比率小于20％(表4中的样品25、26、27、28，表5中的样品37、38、39和表6中的样品47、48)的情况下，间隙增量是0.3mm以上。此外，当外层的厚度小于0.2mm(表4中的样品35、36，表5中的样品45、46和表6中的样品53、54)时，外层破损发生。另一方面，当内层截面积与接地电极截面积的比率是20％以上、且外层的厚度是0.2mm以上(表4中的样品29、30、31、32、33、34，表5中的样品40、41、42、43、44和表6中的样品49、50、51、52)时，既不会观察到0.3mm以上的间隙增量，也不会观察到外层破损。
根据本实施例，在内层4B的截面积与接地电极4的整个截面积的比率是20％以上，并且外层的厚度是0.2mm以上的情况下，散热能力变得良好，由此防止由于接地电极的腐蚀而对火花放电间隙造成影响。结果，可提高火花塞的耐久性。
然而，本发明并不限于上述实施例，例如也可以如下实现本发明。
(a)在上述实施例中，尽管内层4B的中心与接地电极4的中心对准，但如图8A、8B、8C所示，也可以是偏心的。在该情况下，优先采用以下构成。
也就是说，如图8所示，假设接地电极4和中心电极3沿着中心电极3的中心轴线C1从接地电极4的前端面侧投影，分别从中心电极3前端的两个外缘引出相对于接地电极4的外周线彼此不相交的切线m1、m2，接地电极4的外周线被接点PM1、PM2分为两部分，以将其中一部分定义为中心电极侧α1，将另一部分定义为背面侧β1，内层4B偏心使得外层4A的最薄部Tmin位于背面侧β1。
利用该结构，由于具有优良散热性的内层4B向发动机燃烧室(假设存在于图8的上侧)所在位置附近的背面侧β1偏心，因此可期望更有效的散热能力。如在上述实施例中说明的那样，假设当接地电极4沿着中心电极3的中心轴线C1从接地电极4的前端面侧投影时，外层4A中离中心电极3最近的点P2和内层4B中离中心电极3最近的点P1之间的距离记作T0(mm)，则在从中心电极3的中心轴线C1起的±[(D/2)+G]的范围内(即在容易产生火花放电的范围内)，距离T0是0.2mm～0.5mm。在满足上述条件时，由于没有使内层4B极端偏心而只是有些偏心，所以可防止产生火花放电的部分破损，并且促进燃烧室中的有效散热能力。
接下来，与第一和第二实施例相似，制造各具有不同条件的各种样品，以进行评估。下文将说明结果。
制备具有圆形截面的接地电极的样品(火花塞)，该接地电极的外径L为1.7mm而内层直径为0.9mm。此外，在每个样品中改变内层的中心位置。注意，中心电极的贵金属顶端的直径D是0.6mm，采用铱合金(Ir-5Pt)作为贵金属顶端的材料。这样制备的样品被分为五类，即其T0分别是0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm和0.6mm。将样品安装在具有2000cc排气量的直列式四缸发动机上，进行100,000km行程的耐久性试验。试验结果显示，随着T0变大，贵金属顶端的附着性提高。考虑到由于内层4B远离贵金属顶端，所以贵金属顶端与接地电极4同贵金属顶端接合的部分之间的温差减小。
此外，本发明可通过以下方式构成。如图9A所示，假设接地电极4和中心电极3沿着中心电极3的中心轴线C1从接地电极4的前端面侧投影，分别从中心电极3前端的两个外缘引出相对于接地电极4的外周线彼此不相交的切线m1、m2，接地电极4的前端部被包括连接切线m1、m2的两个接点PM1、PM2的线段的与接地电极4的前端面垂直的平面HM分为两部分用作中心电极3侧的内侧部(图中的下侧)和用作与中心电极3相反的侧的外侧部(图中的上侧)，可以构成火花塞，其中，在接地电极4的前端部中(从火花放电间隙33的中心起在前端侧的前端部(图9B中的Y-Y线的右手侧部分))，位于外侧部的外侧内层4BOS(图中网纹示出的部分)的体积Vo比位于内侧部的内侧内层4BIS(图中点图形示出的部分)的体积Vi大。
根据该构成，可以使形成在接地电极4的前端部中的内层4B朝向外侧偏心以及布置在稍内侧。利用这种构成，接地电极4的前端部的外侧内层4BOS积极地将热量从燃烧室中心附近的部分向金属壳体1传导。此外，由于接地电极4的前端部具有内侧内层4BIS，所以可以避免通过接地电极4的前端部的内侧释放由位于外侧部中的外层4A从燃烧室中心接收的热量，由此可以防止由从形成在火花放电间隙33之间的初始火焰中心吸入大量热而引起的任何点火故障。此外，当接合到接地电极4的贵金属顶端暴露于火花放电间隙33中时，在使用中可以避免极端热循环，由此提高该顶端的耐久性。
(b)尽管上述每个实施例都实施为具有圆形截面的接地电极4，但接地电极的形状并不必限于圆形截面。因此，例如如图8C所示，接地电极4的截面可以呈缺少一部分的圆形。在该情况下，如图所示，当中心电极3侧呈平面形状时，对于将贵金属顶端32容易地焊接到接地电极4是有利的。当然，接地电极的截面可以呈椭圆形、半圆形或卵形中的任一种。此外，接地电极的背面的曲率可以在中途点处不同。
(c)在上述实施例中，尽管接地电极4在被弯曲之前呈截面尺寸和形状相同的棒状，但不必是棒状的。因此，例如如图10所示，可以采用由相对较大直径基部51和具有比基部51的直径小的直径的圆形小直径部52构成的接地电极53。如图所示，可以在基部51和小直径部52之间形成锥状部54。
(d)在上述实施例中，尽管内层4B到达接地电极4的前端面，但例如如图11所示，前端面可以被外层4A所覆盖。
(e)在上述实施例中，尽管接地电极4的内层4B的截面呈圆形，但不必是圆形的。例如，内层4B的截面可以呈椭圆形或矩形。
(f)在第一实施例中，采用纯铜作为构成内层4B的材料，然而，可以采用导热性比镍合金高的铜合金。然而，铜合金必需含超过50质量％的铜。
权利要求
1.一种内燃机用火花塞(100)，其包括中心电极(3)；绝缘体(2)，其至少部分包围所述中心电极(3)；筒状金属壳体(1)，其至少部分包围所述绝缘体(2)；接地电极(4)，其布置成一端接合到所述金属壳体(1)的前端面，而另一端面向所述中心电极(3)的前端面；以及火花放电间隙(33)，其形成在所述中心电极(3)的所述前端面与所述接地电极(4)的前端部之间，其中，所述接地电极(4)被构造成至少其前端部的宽度朝向其背面减小，所述背面距所述接地电极(4)的所述中心电极(3)侧最远，所述接地电极(4)的所述前端部位于所述火花放电间隙(33)的中心的前面，其中，所述接地电极(4)的至少火花放电的部分具有由镍合金制成的外层(4A)和由导热性比所述外层(4A)好的纯铜或铜合金制成的内层(4B)，以及其中，所述内层(4B)的截面积与所述接地电极(4)的整个截面积的比率为10％～35％。
2.一种内燃机用火花塞，其包括中心电极(3)；绝缘体(2)，其至少部分包围所述中心电极(3)；筒状金属壳体(1)，其至少部分包围所述绝缘体(2)；接地电极(4)，其布置成一端接合到所述金属壳体(1)的前端面，而另一端面向所述中心电极(3)的前端面；以及火花放电间隙(33)，其形成在所述中心电极(3)的所述前端面与所述接地电极(4)的前端部之间，其中，所述接地电极(4)至少在其前端部具有2mm以下的宽度，所述接地电极(4)的所述前端部位于所述火花放电间隙(33)的中心的前面，并且所述接地电极(4)在其距所述中心电极(3)侧最远的背面具有凸状曲面，其中，所述接地电极(4)的至少火花放电的部分具有由镍合金制成的外层(4A)和由导热性比所述外层(4A)好的纯铜或铜合金制成的内层(4B)，以及其中，所述内层(4B)的截面积与所述接地电极(4)的整个截面积的比率为10％～35％。
3.一种内燃机用火花塞，其包括中心电极(3)；绝缘体(2)，其至少部分包围所述中心电极(3)；筒状金属壳体(1)，其至少部分包围所述绝缘体(2)；接地电极(4)，其布置成一端接合到所述金属壳体(1)的前端面，而另一端面向所述中心电极(3)的前端面；以及火花放电间隙(33)，其形成在所述中心电极(3)的所述前端面与所述接地电极(4)的前端部之间，其中，所述接地电极(4)至少在其前端部具有2mm以下的宽度，并且被构造成所述宽度朝向所述接地电极(4)的背面减小，所述背面距所述接地电极(4)的所述中心电极(3)侧最远，所述接地电极(4)的所述前端部位于所述火花放电间隙(33)的中心的前面，其中，所述接地电极(4)的至少火花放电的部分具有由镍合金制成的外层(4A)和由导热性比所述外层(4A)好的纯铜或铜合金制成的内层(4B)，其中，所述内层(4B)的截面积与所述接地电极(4)的整个截面积的比率为20％以上，以及其中，所述外层(4A)的厚度为0.2mm以上。
4.一种内燃机用火花塞，其包括中心电极(3)；绝缘体(2)，其至少部分包围所述中心电极(3)；筒状金属壳体(1)，其至少部分包围所述绝缘体(2)；接地电极(4)，其布置成一端接合到所述金属壳体(1)的前端面，而另一端面向所述中心电极(3)的前端面；以及火花放电间隙(33)，其形成在所述中心电极(3)的所述前端面与所述接地电极(4)的前端部之间，其中，所述接地电极(4)至少在其前端部具有2mm以下的宽度，所述接地电极(4)的所述前端部位于所述火花放电间隙(33)的中心的前面，并且所述接地电极(4)在其距所述中心电极(3)侧最远的背面具有凸状曲面，其中，所述接地电极(4)的至少火花放电的部分具有由镍合金制成的外层(4A)和由纯度比所述外层(4A)高且导热性比所述外层(4A)好的镍合金或纯镍制成的内层(4B)，其中，所述内层(4B)的截面积与所述接地电极(4)的整个截面积的比率为20％以上，以及其中，所述外层(4A)的厚度为0.2mm以上。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的内燃机用火花塞，其特征在于，在所述火花放电间隙(33)的距离记作G，所述中心电极(3)的所述前端部的直径记作D，并且当所述接地电极(4)沿着所述中心电极(3)的中心轴线(C1)从所述接地电极(4)的前端面侧投影时，所述外层(4A)中离所述中心电极(3)最近的点和所述内层(4B)中离所述中心电极(3)最近的点之间的距离记作T0时，则，在从所述中心电极(3)的中心轴线(C1)起的±[(D/2)+G]的范围内，距离T0满足表达式0.2mm≤T0≤0.5mm。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的内燃机用火花塞，其特征在于，在所述接地电极(4)和所述中心电极(3)沿着所述中心电极(3)的中心轴线(C1)从所述接地电极(4)的所述前端面侧投影，分别从所述中心电极(3)前端的两个外缘引出相对于所述接地电极(4)的外周线彼此不相交的切线(m1，m2)，所述外周线被接点(PM1，PM2)分为两部分，以将其中一部分定义为中心电极(3)侧(α1)，而将另一部分定义为背面侧(β1)时，则，所述内层(4B)偏心，使得所述外层(4A)的最薄部位于所述接地电极(4)的所述背面侧(β1)。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的内燃机用火花塞，其特征在于，在所述接地电极(4)和所述中心电极(3)沿着所述中心电极(3)的中心轴线(C1)从所述接地电极(4)的所述前端面侧投影，分别从所述中心电极(3)前端的两个外缘引出相对于所述接地电极(4)的外周线彼此不相交的切线(m1，m2)，所述接地电极(4)的所述前端部被包括连接所述切线的两个接点(PM1，PM2)的线段的与所述接地电极(4)的所述前端面垂直的平面(HM)分为两部分用作中心电极(3)侧的内侧部和用作与所述中心电极(3)相反的侧的外侧部，则，在所述接地电极(4)的所述前端部中，位于所述外侧部的外侧内层(4BOS)的体积Vo比位于所述内侧部的内侧内层(4BIS)的体积Vi大。
全文摘要
提供一种内燃机用火花塞。火花塞(100)由金属壳体(1)、绝缘体(2)、中心电极(3)和接地电极(4)构成。接地电极的后端面被焊接到金属壳体的前端面，在长度方向位于中间部位的弯曲部(5)向火花塞的中心弯曲。接地电极呈具有2mm以下直径的圆形，由此即使当空气燃料混合物直接流入接地电极的背面时，也不妨碍空气燃料混合物的流入。接地电极由镍合金制成的外层(4A)和具有优良导热性的纯铜制成的内层(4B)构成，其中，内层的截面积与接地电极的整个截面积的比率是10％～35％。因此，火花塞具有优良的散热能力并可防止由于热膨胀系数不同而产生的回弹现象。
文档编号H01T13/39GK101043125SQ20071008822
公开日2007年9月26日 申请日期2007年3月20日 优先权日2006年3月20日
发明者鸟居计良, 吉田和正, 松谷涉 申请人:日本特殊陶业株式会社