火花塞的制作方法

专利名称：火花塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种安装在内燃机上并用于对混合气点火的火花塞。
背景技术：
以往，在汽车发动机等内燃机中使用用于点火的火花塞。一般的火花塞具有中心 电极、将中心电极保持在轴孔内的绝缘体、将绝缘体保持在筒孔内的主体配件及与主体配 件接合并在与中心电极之间形成火花放电间隙的接地电极。以向燃烧室内伸出火花放电 间隙的方式将火花塞安装在发动机上，通过在火花放电间隙中进行火花放电(通过气体的 绝缘击穿进行的火花放电，为了区别于后述的沿面放电也称作气体放电)，对混合气进行点 火。另外，绝缘体在轴孔内的前端侧上保持中心电极。并且，主体配件的设于筒孔内的 保持部直接或间接地与绝缘体的外表面接触，并保持绝缘体。主体配件和中心电极被绝缘 体中的比主体配件的保持部直接或间接地与绝缘体抵接的位置靠前端侧的部位(以下称 该部位为“隔绝部位”)隔开，并维持绝缘状态。向被隔绝部位隔开的主体配件和中心电极之间施加高电压时，可能在隔绝部位上 发生以火花贴着绝缘体的表面上的方式放电的所谓沿面放电。由于电极的消耗，正常的火 花放电间隙(即中心电极与接地电极的间隙)扩大时，或为了提高点火性在火花塞的设计 中扩大火花放电间隙时，在火花放电间隙中进行气体放电的要求电压升高。为此提高施加 到火花放电间隙上的电压时，可能发生经由隔绝部位的沿面放电，因此可能导致正常的火 花放电间隙中的火花放电的可靠性降低。为了防止发生上述沿面放电，可沿着轴线方向加长隔绝部位，从而延长绝缘距离。 但是，单纯地进行沿着轴线方向加长隔绝部位的设计来延长绝缘距离时，由于隔绝部位本 身变大从而热容量增加，因此可能降低隔绝部位的传热性能。这样，火花塞容易变成低热值 型(所谓蓄热型)，从而可能不能满足发动机要求的热值条件。为防止这种情况，可以考虑 例如在隔绝部位设置凹凸形状的皱折，从而不改变隔绝部位的轴线方向的长度并延长隔绝 部位上的沿面放电的绝缘距离。这样一来，火花塞的热值不会大幅地变化。另外，即使火 花放电的要求电压升高，也难以发生沿面放电，能在正常的火花放电间隙中发生气体放电 (例如参照专利文献1)。另外，如上所述，主体配件的保持部与绝缘体的外表面抵接并保持绝缘体，但在该 抵接位置的前端侧上，在保持部与隔绝部位之间产生比主体配件的筒孔与隔绝部位之间的 间隙窄的间隙。如果能确保该间隙较大，则受到污染时能抑制在保持部和隔绝部位的间隙 中发生跳火，但是从火花塞小型化的观点来看，很难确保间隙的大小。因此，缩小保持部和 隔绝部位之间的间隙，使其为0. 4mm以下，从而可防止未燃气体侵入间隙内并提高间隙内 的耐污染性，其结果防止了跳火的发生(例如参照专利文献2)。专利文献1 日本实开昭50-059428号公报专利文献2 日本特开2002-260817号公报

发明内容
然而，近年有发动机输出功率增大且燃烧室内的压力(混合气的压缩比)较以往 提高的趋势，伴随这种情况，用于火花放电的要求电压进一步提高。在此广为人知的是在 燃烧室内的压力和火花放电的要求电压的关系中，与沿面放电相比，气体放电中，压力上升 时要求电压的上升幅度较大。因此，燃烧室内的压力比以往高时，即使如专利文献1的火花 塞一样通过皱折延长绝缘距离，也可能容易发生沿面放电。另外，即使防止了保持部和隔绝 部位的间隙中的污染，由于在电极间施加更高的电压，也可能在间隙内发生跳火，且隔绝部 位上的跳火位置成为沿面放电的起点。为了防止这种情况，可进一步延长沿面放电的绝缘 距离，但为此而在隔绝部位上设置极端的凹凸形状时隔绝部位的表面积增大。这样，来自发 动机的受热量升高，火花塞容易变成低热值型，因此可能不能满足发动机要求的热值条件。本发明是为解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种火花塞，能够满足发动 机要求的热值条件，并抑制绝缘体的隔绝部位上的沿面放电的发生，可靠地在正常的火花 放电间隙中进行火花放电。本发明实施方式中的一种火花塞，其特征在于，包括中心电极；绝缘体，具有沿 着所述中心电极的轴线方向延伸的轴孔，并在该轴孔内的前端侧保持所述中心电极；主体 配件，具有沿着所述轴线方向延伸的筒孔，并且在该筒孔内具有保持部，该保持部在所述绝 缘体的圆周方向的一周上与所述绝缘体的外表面直接或间接抵接，用于将所述绝缘体保持 在所述筒孔内；以及接地电极，一端部与所述主体配件接合，另一端部侧朝向所述中心电极 的前端部弯曲，并且该另一端部与所述中心电极的所述前端部之间形成火花放电间隙，当 将所述绝缘体中的从所述轴线方向的前端侧观察时比所述绝缘体最早直接或间接地与所 述保持部接触的位置Q靠近所述轴线方向的前端侧的部位称为隔绝部位时，所述隔绝部位 处的所述外表面中的与构成所述保持部的面中朝向正交于所述轴线方向的径向内侧的内 向面所相对的部分、与所述内向面在圆周方向的一周上以0. 4mm以下的所述径向上的间隙 配置，所述绝缘体的所述隔绝部位的所述外表面的表面积S与所述绝缘体的所述隔绝部位 的体积V的比例(S/V)满足1. 26彡S/V彡1. 40 [mm-1]，并且所述绝缘体的所述隔绝部位的 最大外径为所述绝缘体的所述位置Q的外径以下。在本实施方式中，将隔开中心电极和主体配件的保持部的隔绝部位的外表面与保 持部的间隙设为0. 4mm以下，从而能确保耐污染性。并且，将绝缘体的隔绝部位的外表面S 与绝缘体的隔绝部位的体积V的比例(S/V)设为1.26mm1以上，从而能确保防止发生经由 隔绝部位的沿面放电所需的充分的绝缘距离。因此，即使在实现发动机的高输出化时燃烧 压上升且用于火花放电的要求电压升高，也能可靠地在正常的火花放电间隙中进行火花放 电。另一方面，伴随着表面积S的增大来自燃烧室的受热量增加，但由于S/V为1. 40mm 1以 下，因此能抑制中心电极的温度上升，并维持热值条件。因此，能按照现有的尺寸比例实现 火花塞的小型化，从而有利于实现发动机的小型化及高输出化。另外，为了使绝缘体的隔绝部位的外表面的表面积S与绝缘体的隔绝部位的体积 V的比例(S/V)满足上述范围，可以在隔绝部位上设置例如凹凸形状。设置这种形状时，通 过将绝缘体的隔绝部位的最大外径控制在位置Q上的绝缘体的外径以下，能限制隔绝部位 靠近主体配件的筒孔的内周面。因此，能防止在隔绝部位和筒孔的内周面之间发生气体放
4电(所谓侧跳火)。另外，在本实施方式的火花塞中，所述隔绝部位的所述轴线方向上的前端部也可 以从所述主体配件的前端突出1.0mm以上。并且，在所述隔绝部位的所述前端部处的所述 外表面上，也可以对由前端面和外侧面形成的棱角部分实施倒角尺寸为0. 4mm以下的R面 倒角，且所述隔绝部位的所述前端部处的所述绝缘体的所述轴孔和所述中心电极在所述径 向上的距离也可以为0. 05mm以上。由于主体配件的前端面和筒孔的内周面所形成的棱角部位是电场强度容易升高 的部位，因此在绝缘体的外表面中接近该棱角部位的部分容易成为与棱角部位之间的气体 放电(侧跳火)的起点。并且，当发生侧跳火时，在该起点和中心电极之间发生顺着绝缘体 的外表面的沿面放电。因此，使隔绝部位的前端部从主体配件的前端突出1.0mm以上时，能 延长沿面放电路径上的绝缘距离，从而能进一步地提高棱角部位和中心电极之间的绝缘电 阻。因此，对实现了更高输出化的发动机使用本实施方式中的火花塞时，能得到充分的绝缘 性能，并能有效地防止侧跳火的发生。另外，在火花塞的制造过程中，在所述隔绝部位的前端部的前端面和外侧面所形 成的棱角部分上可能容易发生断裂。为了防止这种断裂的发生，可对该棱角部分实施R面 倒角。但是倒角尺寸越大，在倒角部分绝缘距离越短。为了对实现了更高输出化的发动机 使用本实施方式中的火花塞，可使倒角尺寸为0. 4mm以下，从而确保充分的绝缘距离。另外，在所述隔绝部位的前端部上的绝缘体的轴孔和中心电极之间设置间隙时， 由于空气层的绝缘效果，能进一步地确保主体配件和中心电极之间的绝缘距离。为了对实 现了更高输出化的发动机使用本实施方式中的火花塞时得到充分的绝缘性，可将绝缘体的 轴孔和中心电极之间的径向上的距离设为0. 05mm以上。另外，在本实施方式中的火花塞中，所述隔绝部位的所述前端部可形成沿着所述 轴线方向的圆筒形状，也可被配置为在所述轴线方向上跨越所述主体配件的前端的位置。 并且，所述隔绝部位的所述前端部处的所述表面积S与所述隔绝部位的所述前端部处的所 述体积V的比例(S/V)可满足1. 40彡S/V彡2. 00[mm-1]。当在轴线方向上跨越主体配件 的前端位置而配置呈圆筒形状的所述隔绝部位的前端部时，能确保电场强度容易升高的棱 角部位和绝缘体的外表面之间的距离，并能防止侧跳火的发生。并且，为了可靠地确保所述隔绝部位的前端部上的绝缘距离，可与上述同样地规 定绝缘体的所述隔绝部位的前端部的表面积S与绝缘体的所述隔绝部位的前端部的体积V 的比例(S/V)，具体地可将S/V设定为1. 40彡S/V彡2. 00 [mm-1]。虽然即使所述隔绝部位的 前端部的S/V小于1. 40mm 1时也能确保实用范围的充分的绝缘距离，但为了在实现发动机 的更高输出化且要求电压升高时也能确保在所述隔绝部位的前端部上的可靠的绝缘距离， 所述隔绝部位的前端部的S/V优选为1. 40mm 1以上。另一方面，当所述隔绝部位的前端部 的S/V增大时，所述隔绝部位的前端部上的来自燃烧室的受热量增多从而导致中心电极的 温度上升，因此所述隔绝部位的前端部的S/V优选为2. 00mm 1以下。另外，在本实施方式中的火花塞中，所述主体配件可在自身的外周侧上具有形成 有用于将自身安装到内燃机上的螺纹的安装部。该螺纹的公称直径优选为M8-M12，且在所 述径向上，由所述主体配件的前端面和所述筒孔的内周面所形成的棱角部位与所述绝缘体 的所述隔绝部位的所述外表面之间的最短距离L优选大于所述火花放电间隙的大小G。
通过使主体配件的棱角部位和绝缘体的隔绝部位的外表面的最短距离L比火花 放电间隙的大小G大，能防止发生以电场强度容易升高的棱角部位为起点的侧跳火，并能 可靠地在正常的火花放电间隙进行火花放电。并且，通过本发明的应用，即使按现有的尺寸 比例实现了火花塞的小型化也能防止侧跳火及沿面放电的发生，因此将本发明应用于主体 配件的安装部的螺纹的公称直径为M8-M12的火花塞时，有利于同时实现发动机的小型化 及高输出化。另外，在本实施方式的火花塞中，可将所述绝缘体的所述隔绝部位在所述径向上 的最小厚度T设为0. 5mm以上。在进一步扩大绝缘体的隔绝部位的外表面的表面积S时， 如本实施方式若将绝缘体的隔绝部位的最小厚度T设为0. 5mm以上，则在绝缘体的制造过 程中能确保操作时的充分的强度，并能抑制断裂等不良情况的发生。另外，本实施方式中的火花塞可具有以下特征所述绝缘体的所述隔绝部位的最 大外径与所述主体配件的所述筒孔的内周面的内径的径差按半径差为0. 5mm以上。


图1是火花塞100的部分剖视图。图2是放大火花塞100的隔绝部位P的剖视图。图3是放大作为变形例的火花塞200的隔绝部位P的部分剖视图。图4是放大作为变形例的火花塞300的隔绝部位P的部分剖视图。图5是放大作为变形例的火花塞400的隔绝部位P的部分剖视图。图6是放大作为变形例的火花塞500的隔绝部位P的部分剖视图。图7是表示沿面放电的发生频度和绝缘体的隔绝部位P的表面积S与绝缘体的隔 绝部位P的体积V的比例(S/V)的相关关系的图表。图8是表示隔绝部位P的绝缘电阻值和绝缘体的隔绝部位P的表面积S与绝缘体 的隔绝部位P的体积V的比例(S/V)的相关关系的半对数图表。图9是表示中心电极的前端部的温度和绝缘体的隔绝部位P的表面积S与绝缘体 的隔绝部位P的体积V的比例(S/V)的相关关系的图表。图10是表示绝缘体的隔绝部位P的最小厚度T与绝缘体的制造过程中的断裂发 生率的关系的图表。
具体实施例方式以下，参照附图对本发明火花塞的一个具体化的实施方式进行说明。另外，在图1 中，将火花塞100的轴线0方向作为附图中的上下方向，将下侧作为火花塞100的前端侧、 上侧作为后端侧进行说明。如图1所示，火花塞100大致由中心电极20、将中心电极20保持在轴孔12内的 绝缘体10、将绝缘体10保持在筒孔55内的主体配件50、与主体配件50接合且与中心电极 20之间形成火花放电间隙GAP的接地电极30、以及设于绝缘体10的后端部的端子配件40 构成。首先，对绝缘体10进行说明。众所周知，绝缘体10通过烧制氧化铝等而形成，并具 有在轴中心形成沿着轴线0方向延伸的轴孔12的筒形状。在轴线0方向的大致中央形成有外径最大的凸缘部19，在其后端侧(图1中的上侧)上形成有后端侧主体部18。在凸缘 部19的前端侧(图1中的下侧)上形成有外径小于后端侧主体部18的前端侧主体部17， 并且在前端侧主体部17的前端侧上形成有外径小于前端侧主体部17的腿部13。腿部13 越靠近前端侧直径越小，且当火花塞100被安装于内燃机的发动机头(未图示)上时，被暴 露于其燃烧室内。另外，为了在后述的主体配件50的筒孔55内保持绝缘体10并维持气密 性，在腿部13和前端侧主体部17之间设置阶梯状的部位，在本实施方式中，称该部位为阶 梯部15。另外，参照后述，在本实施方式中，在该腿部13中，绝缘体10的外表面14形成为 凹凸形状。接下来，中心电极20为棒状电极，具有以下结构在由铬镍铁合金(商标名)600 或601等镍类合金形成的基材24的内部埋入由比基材24热导性优良的铜等构成的金属芯 23。中心电极20被保持在绝缘体10的轴孔12内的前端侧。中心电极20的前端部22从 绝缘体10的前端突出，并在与后述的接地电极30的前端部31之间形成火花放电间隙GAP。 另外，中心电极20经由设于轴孔12内部的密封体4及陶瓷电阻3，与后方(图1中的上方) 的端子配件40电连接。高压电缆(未图示)经由插头连接到端子配件40上，从而施加用 于火花放电的高电压。接下来，对接地电极30进行说明。接地电极30由耐腐蚀性高的金属构成，作为一 个例子，可以使用铬镍铁合金(商标名)600或601等镍合金。接地电极30自身长度方向 的剖面大致呈长方形，基部32焊接在主体配件50的前端面57上。接地电极30的前端部 31朝向中心电极20的前端部22弯曲，且在两者之间形成火花放电间隙GAP。接下来，对主体配件50进行说明。主体配件50是用于在内燃机的发动机头(未 图示)上固定火花塞100的圆筒状配件。主体配件50通过包围从绝缘体10的后端侧主体 部18的一部分到腿部13的部位，将绝缘体10保持在筒孔55中。主体配件50由低碳钢形 成，具有与未图示的火花塞扳手嵌合的工具扣合部51、和形成有用于与发动机头的螺纹孔 (未图示)螺合的螺纹的安装部52。在主体配件50的工具扣合部51与安装部52之间形成有凸缘状的密封部54。在 安装部52与密封部54之间的外周面上，嵌入配置有通过折弯板体而形成的环状的垫片5。 当火花塞100被安装到发动机头的安装孔(未图示)上时，垫片5在安装孔的开口周缘部 与密封部54之间被压溃而变形并密封两者之间，从而防止经由安装孔向燃烧室内漏气。在主体配件50内周的安装部52的位置上设有从筒孔55的内周面59向内突出并 沿圆周方向环绕一周的保持部56。在该保持部56上隔着环状的密封板8保持有绝缘体10 的阶梯部15。另外，在主体配件50的工具扣合部51的后端侧上设有较薄的铆接部53，在 密封部54与工具扣合部51之间设有与铆接部53同样较薄的弯曲部58。在从工具扣合部 51到铆接部53的主体配件50的筒孔55的内周面59与绝缘体10的后端侧主体部18的外 周面14之间夹着圆环状的环部件6、7，并且在两个环部件6、7之间填充滑石(Talc) 9的粉 末。通过向内侧折弯并铆接主体配件50的铆接部53，绝缘体10在筒孔55内被朝向前端侧 按压，并被支撑在铆接部53与保持部56之间，从而与主体配件50成为一体。此时，主体配 件50与绝缘体10之间的气密性通过夹在保持部56与阶梯部15之间的密封板8维持，从 而防止燃烧气体的流出。另外，在进行铆接时，弯曲部58伴随压缩力的增加向外挠曲变形， 通过使滑石9在轴线0方向的压缩长度变长来提高主体配件50内的气密性。
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在上述构成的本实施方式的火花塞100中，为了在火花放电时可靠地在火花放电 间隙GAP中完成火花放电，形成用于抑制在绝缘体10的外表面14上发生沿面放电的结构。 以下，参照图2对绝缘体10的结构进行说明。如上所述，图2所示的绝缘体10的腿部13是形成在为了在主体配件50上保持绝 缘体10而设置的阶梯部15的前端侧的部位。阶梯部15隔着密封板8保持在主体配件50 的保持部56上。换言之，主体配件50的保持部56隔着密封板8间接地与绝缘体10的阶 梯部15抵接，并保持绝缘体10。在本实施方式中，将在绝缘体10的外表面14上密封板8 与阶梯部15抵接的位置中的轴线0方向上的最前端的位置设为Q。并且，将在绝缘体10的 部位中的位于位置Q的轴线0方向上的前端侧的、使中心电极20与保持部56处于绝缘状 态的部位称为隔绝部位P。具体地，在图2中，用实线表示绝缘体10的隔绝部位P。当火花塞100工作时，向主体配件50与端子配件40 (参照图1)之间施加高电压， 从而在与主体配件50接合的接地电极30和与端子配件40电连接的中心电极20之间的火 花放电间隙GAP上发生火花放电(气体放电)，并进行混合气的点火。此时，由于在主体配 件50与中心电极20之间也施加有高电压，因此为了防止在介于两者之间的隔绝部位P上 发生沿面放电从而导致在中心电极20和主体配件50 (保持部56)之间发生火花放电，关键 要在两者之间得到充分的绝缘距离。另外，在燃烧室内的压力比以往升高的状态下，为了在 火花放电间隙GAP中可靠地发生火花放电(气体放电)，不仅延长沿着隔绝部位P的表面的 主体配件50和中心电极20之间的距离，而且优选进一步扩大绝缘体10的隔绝部位P的外 表面14的表面积。为了实现这一目的，在本实施方式的火花塞100中，作为一个例子，在隔绝部位P 上，绝缘体10的外表面14形成为凹凸形状。然而并不是只要在隔绝部位P设置凹凸形状 即可，为了满足发动机要求的热值条件并可靠地防止经由隔绝部位P的沿面放电，设置以 下各种规定。首先，如图2所示，在绝缘体10的隔绝部位P中，将径向(与轴线0正交的方向) 上与主体配件50的保持部56相对的部位称为基端部P1。在本实施方式中，基端部P1形成 以大致相同的外径沿轴线0方向延伸的圆筒形状。另外，将从基端部P1朝向轴线0方向的 前端侧外径变化并延伸的部位称为中间部P2。如上所述，在本实施方式中，绝缘体10的中 间部P2上的外表面14形成凹凸状。并且，将从中间部P2朝向轴线0方向的前端侧延伸的 部位称为前端部P3。前端部P3与基端部P1同样地形成圆筒形状并沿着轴线0方向延伸， 前端面61比主体配件50的前端面57配置在轴线0方向上的前端侧。在基端部P1中，外表面14具有与构成保持部56的面中的朝向径向上的内侧的内 向面60相对的部位F。部位F与内向面60之间具有间隙J，设定基端部P1的大小(外径)， 以使在圆周方向的一周上间隙J的大小(径向长度)为0.4mm以下。当间隙J大于0.4mm 时，内燃机驱动时未燃烧气体可能进入间隙J内，且污染物质积蓄在间隙J内。当通过污染 物质的积蓄形成的层增长从而保持部56的内向面60与部位F的绝缘体10的外表面14经 由污染物质电连接时，可能导致主体配件50与中心电极20之间的绝缘电阻下降，从而容易 发生经由隔绝部位P的沿面放电。另一方面，为了确保针对保持部56的内向面60与部位F 上的绝缘体10的外表面14之间的气体放电的绝缘电阻，优选确保间隙J的大小为0. 05mm 以上，且更优选确保0. 2mm以上。
另外，当构成间隙J的保持部56的内向面60和部位F上的绝缘体10的外表面14 沿轴线0方向延伸的长度为H时，优选长度H确保0. 5mm以上。长度H小于0. 5mm时，难以 有效地防止未燃烧气体侵入间隙J内。另一方面，长度H变长时，主体配件50的筒孔55内 的通往间隙J内的开口越靠近轴线0方向的前端侧。这样一来，经由间隙J的开口附近的 隔绝部位P的沿面放电的绝缘距离缩短，因此当污染物质附着到间隙J的开口附近时，可能 发生经由污染物质的跳火。因此，优选长度H在2. 5mm以下。这样，通过规定间隙J的大小，如上所述耐污染性提高，但气体放电中的绝缘电阻 降低，因此通过规定绝缘体10的隔绝部位P的表面积S与绝缘体10的隔绝部位P的体 积V的比例(S/V)，确保了隔绝部位P上的沿面放电的绝缘距离。具体地，规定了 S/V满足 1. 26 ( S/V ( 1. 40 [mm"1]。当绝缘体10的隔绝部位P的表面积S与绝缘体10的隔绝部位 P的体积V的比例(S/V)小于1. 26mm 1时，隔绝部位P不能得到充分大小的表面积S，因此 对隔着隔绝部位P的主体配件50与中心电极20之间的沿面放电不能充分地确保针绝缘距 离。另一方面，隔绝部位P的表面积S与隔绝部位P的体积V的比例增大意味着与同等大 小的火花塞相比绝缘体10的隔绝部位P的表面积S增大，从而来自燃烧室的受热量增多。 具体地、S/V大于1.40mm1时，来自隔绝部位P的热量导致中心电极20的温度大幅上升，从 而火花塞100变为低热值型(即蓄热型)，因此可能不能满足发动机要求的热值条件。这样，通过规定绝缘体10的隔绝部位P的表面积S与绝缘体10的隔绝部位P的 体积V的比例(S/V)满足1.26彡S/V彡1. 40011m1]，能将按以往的尺寸比例小型化的火花 塞用于燃烧压力更高的发动机上。即，本发明不是通过沿轴线0方向延长腿部来确保主体 配件的保持部与中心电极之间的绝缘距离，应用本发明设计火花塞时，即使按以往的尺寸 比例小型化也能充分地确保绝缘距离。具体地，当将本发明应用于主体配件50的安装部52 的螺纹的公称直径为M8至M12的火花塞100时，可同时实现发动机的小型化及高输出化， 因此优选。另外，在火花塞100中，规定绝缘体10的隔绝部位P的最大外径为位置Q上的绝 缘体10的外径U以下。在本实施方式中，由于隔绝部位P的中间部P2呈凹凸形状且朝向 前端侧直径逐渐缩小，因此在隔绝部位P上绝缘体10的外径最大的位置与位置Q —致。即 使不是这种情况，根据规定，隔绝部位P也不会超过绝缘体10的位置Q上的外径U而向径 向上的外方突出。由此，通过扩大绝缘体10的隔绝部位P的外表面14的表面积S，可限制 隔绝部位P靠近主体配件50的筒孔55的内周面59，因此能够防止在隔绝部位P与筒孔55 的内周面59之间发生气体放电(所谓侧跳火)。并且，更优选的是确保主体配件50的筒孔 55的内径X与绝缘体10的隔绝部位P的最大外径的直径差为1. 0mm以上(半径差为0. 5mm 以上)。另外，规定了主体配件50的前端面57和筒孔55的内周面59形成的棱角部位W与 绝缘体10的隔绝部位P的外表面14之间的最短距离L比火花放电间隙GAP的大小G大。 众所周知呈棱角的部位由于电场强度提高而容易成为火花放电的起点，但是在棱角部位W 与中心电极20之间发生火花放电，需要棱角部位W与隔绝部位P之间的气体放电以及在隔 绝部位P的外表面14上发生该气体放电的起点与中心电极20之间的沿面放电。棱角部位 W与隔绝部位P的最短距离L比火花放电间隙GAP大时，棱角部位W与中心电极20之间的 绝缘电阻值难以低于火花放电间隙GAP的绝缘电阻值，因此驱动发动机时，能更可靠地在
9正常的火花放电间隙GAP中发生火花放电。另外，规定了在火花塞100的径向上绝缘体10的隔绝部位P的最小厚度T为0. 5mm 以上。如上所述，为了限制隔绝部位P靠近主体配件50的筒孔55的内周面59，并进一步扩 大绝缘体10的隔绝部位P的外表面14的表面积S，考虑使绝缘体10的厚度部分变薄。然 而，虽然绝缘体10是在压固氧化铝等绝缘粉末并通过切削加工成形后烧制而成的，但由于 具有轴孔12，因此当径向的厚度减小时，可能在成形时发生折断等，从而成品率变差。特别 是在隔绝部位P中，由于凹凸形状，绝缘体10的最小厚度T容易变小。为了防止这种情况， 根据后述的实施例4，优选将绝缘体10的隔绝部位P的最小厚度T设为0. 5mm以上，从而确 保绝缘体10具有充分的厚度。这样通过各种规定，即使燃烧室内的压力比以往提高的状态下，也能够充分地防 止经由隔绝部位P的沿面放电的发生，然而为了提供即使在燃烧室内的压力上升比上述规 定中作为目标的上升幅度进一步提高的情况下也能应对的火花塞100，在本实施方式中，进 一步设置以下规定。首先，可将绝缘体10的前端部P3在轴线0方向上相对于主体配件50的前端面57 向前端侧突出的突出长度N设为1. 0mm以上。如上所述，当主体配件50的棱角部位W与绝 缘体10的外表面14之间的最短距离L大于火花放电间隙GAP的大小G时，能够确保在正常 的火花放电间隙GAP中的火花放电。当伴随燃烧室内的压力的进一步上升施加于电极之间 的电压升高时，为了抑制在隔绝部位P的外表面14上在棱角部位W和隔绝部位P之间的气 体放电发生的起点与中心电极20之间发生沿面放电，关键要加长可能发生该沿面放电的 部位与中心电极20之间的绝缘距离。根据后述的实施例5可知，当在轴线0方向上绝缘体 10的前端部P3相对于主体配件50的前端面57向前端侧突出的突出长度N为1. 00mm以上 时，可进一步提高中心电极20和主体配件50之间的绝缘电阻。当然，即使不足1. 00mm,也 能得到可实用的大小的范围的绝缘电阻。按上述方法能进一步提高棱角部位W和中心电极 20之间的绝缘电阻。因此，通过在实现了更高输出化的发动机上使用火花塞100，能得到充 分的绝缘性，并能有效地防止侧跳火的发生。另一方面，如果突出长度N变长，前端部P3上 的来自燃烧室的受热量增加，导致温度上升，因此突出长度N可设为4. 3mm以下，更优选为 4. 0mm以下。另外，如上所述前端部P3呈圆筒形状，优选以大致相同的外径沿着轴线0方向 延伸并跨越主体配件50的前端面57的位置，即在轴线0方向上的前端部P3的中央位置上 配置棱角部位W。这样一来，能确保棱角部位W和绝缘体10的前端部P3的外表面14之间 的绝缘距离(针对可能在两者之间发生的气体放电的绝缘距离)，并防止侧跳火的发生。另外，在火花塞100的制造过程中，可能容易在绝缘体10的前端部P3的前端面61 和外侧面形成的棱角部分上产生断裂。为了防止这种断裂的产生，可在该棱角部分上实施R 倒角，该倒角尺寸K优选设为0. 1mm以上。根据后述的实施例8，当倒角尺寸K不足0. 1mm 时，在火花塞100的制造过程中，可能在上述棱角部分上产生断裂。另一方面，倒角尺寸K越 大，在倒角部分上绝缘距离越短，因此倒角尺寸K优选设为0. 45mm以下，更优选设为0. 40mm 以下。另外，在前端部P3上，在绝缘体10的轴孔12与中心电极20之间，可在径向上具 有0. 05mm以上的间隙M。具体地如图2所示，可相对于后端侧的外径将中心电极20的前 端部22的外径按半径差缩小0. 05mm以上而形成间隙M。当然，也可在前端部P3上按半径差将绝缘体10的轴孔12的内径扩大0. 05mm以上而形成间隙M，或者也可以对中心电极20 和绝缘体10双方实施加工而形成上述间隙M。通过形成间隙M，能进一步延长由隔绝部位 P造成的中心电极20和主体配件50之间的绝缘距离。根据后述的实施例6，间隙M缩小至
0.05mm以下时，间隙M内的空气层的绝缘效果减弱，隔绝部位P的绝缘电阻作为实用范围充 足了，但会降低。另一方面，间隙M过度扩大时，在前端部P3上，从燃烧室接收的热难以向 中心电极20侧驱散，从而有可能导致热值条件的降低，因此作为实用范围可设为0. 47mm以 下，更优选为0. 45mm以下。并且，为了可靠地确保前端部P3上的绝缘距离，可与上述同样地规定绝缘体10的 前端部P3的表面积S与绝缘体10的前端部P3的体积V的比例(S/V)。具体地，规定了 S/V 满足1. 40彡S/V彡2. 00 [mm"1]。根据后述的实施例7，即使前端部P3的S/V不足1. 40mm、 作为实用范围也能够确保可靠的绝缘距离，但是为了在要求电压高的情况下在前端部P3 上确保可靠的绝缘距离，优选前端部P3的S/V为1. 40mm 1以上。另外，前端部P3的S/V越 大，前端部P3上的来自燃烧室的受热量越多，从而导致中心电极20的温度上升，因此优选 前端部P3的S/V为2. 25mm 1以下，更优选为2. 00mm 1以下。另外，本发明还可以进行各种变形。例如，如图3所示的火花塞200，可多阶状地 形成绝缘体210的隔绝部位P(中间部P2)，从而进一步扩大绝缘体210的隔绝部位P的外 表面214的表面积S，并使绝缘体210的隔绝部位P的表面积S与绝缘体210的隔绝部位P 的体积V的比例(S/V)为1.26-1. 40 [mm1]。另外，与本实施方式同样，将主体配件250的 保持部256隔着密封板8间接地与绝缘体210的阶梯部215抵接的位置中的最靠近前端侧 的位置称为位置Q，将比位置Q更靠近前端侧的、使中心电极20与保持部256处于绝缘状态 的部位(在图3中用实线表示的部位)称为隔绝部位P，并设置各种规定，且与本实施方式 同样地针对前端部P3设置各种规定。另外，如图4所示的火花塞300，可在沿着轴线0方向延伸绝缘体310的隔绝部 位P的基端部P1及中间部P2并减小径向的厚度，并使绝缘体310的外表面340的表面 积S与绝缘体310的隔绝部位P(图4中用实线表示的部位)的体积V的比例(S/V)满足
1.26-1. 40[mm-1]。S卩，由于通过沿着轴线0方向延长隔绝部位P可延长沿面放电时的绝缘 距离，且通过使厚度变薄可降低隔绝部位P的蓄热量，因此能使火花塞300不变成低热值 型。另外，火花塞300也是主体配件350的保持部356和绝缘体310的阶梯部315之间不 设绝缘板的情况的例子。并且，绝缘体310也是基端部P1的外径不恒定的情况的例子，即 使在这种情况下，保持部356的内向面360和在基端部P1 (与保持部356对应的部位)上 与内向面360相对的部位F之间的间隙J的大小(这里指最大尺寸)也可为0.4mm以下。 即使在这种情况下，也与上述同样地将保持部356直接与绝缘体310抵接的位置中的最靠 近前端侧的位置称为位置Q，并将比该位置Q更靠近前端侧的、使中心电极20和保持部356 处于绝缘状态的部位(图4中用实线表示的部位)称为隔绝部位P，并设置各种规定，且与 上述同样地对前端部P3设置各种规定。另外，如图5所示的火花塞400，隔绝部位P的中间部P2可形成从基端部P1向前 端部P3外径逐渐缩小的锥状。并且，如图6所示的火花塞500，火花塞500的中间部P2可 形成多个阶梯状(这里为两个阶梯)。在火花塞400和500中，均与本实施方式同样地对隔 绝部位P设置各种规定，并对前端部P3设置各种规定。
这样，通过扩大绝缘体10的隔绝部位P上的绝缘体10的外表面14的表面积S并 设置上述各种规定，能满足发动机要求的热值条件，并抑制隔绝部位P上的沿面放电的发 生。并且，通过对前端部P3进行各种规定，能进一步提高夹着隔绝部位P的中心电极20和 主体配件50的绝缘性，由此，能使其在正常的火花放电间隙GAP中可靠地进行气体放电。实施例1接着，为了确认设置上述各种规定所带来的效果，进行评价试验。首先，为了确认 以下效果进行评价试验即通过提高绝缘体的隔绝部位P的表面积S与绝缘体的隔绝部位 P的体积V的比例，即使在比以往高输出化的发动机(即燃烧压力高的发动机)中也能充分 地确保中心电极和主体配件之间的绝缘距离。在该评价试验中，在制造可替换为主体配件的螺纹的公称直径为M12且热值为6 的现有的火花塞的绝缘体而安装的绝缘体时，准备了腿部(更详细为隔绝部位P的中间部 P2)的外表面形状各异的7种、每种3根的绝缘体。另外，所有样品中的腿部在轴线0方向 上的长度都为15mm。根据这些绝缘体的设计尺寸通过计算求出隔绝部位P的外表面的表面 积S和体积V，并求出表面积S与体积V的比例(S/V)，得出1. 07、1. 13、1. 20、1. 24、1. 26、 1. 30、1. 33 [mm 1。然后，将用上述7种21根的绝缘体制造的火花塞的各样品分别安装在对 火花塞的要求热值为6且排气量为2000CC的直列式4汽缸D0HC直喷型发动机上，并进行 反复循环5次测试运行模式的运行试验。另外，测试运行模式是以以下过程为1个循环的 运行模式在外界气温、水温、油温为-20°C的状态下启动安装有火花塞样品的发动机，并 在车速10km/h-20km/h之间反复10次加减速之后，停止驱动。并且，对于各样品，对运行试验中的沿面放电的发生频度和运行试验后的隔绝部 位P的绝缘电阻进行评价。具体来说，观察运行试验中的放电波形，抽出相当于任意放电 100次的放电波形，并指定其中被确认发生了伴随着沿面放电的内跳火的放电波形，通过数 其发生次数求得沿面放电的发生频度(发生率)。另外，在运行试验后，在各样品的正常火 花放电间隙GAP中配置绝缘材料的状态下向中心电极和主体配件之间施加高电压，并测定 沿面放电时的绝缘电阻值。图7表示对运行试验中沿面放电的发生频度和绝缘体的隔绝部 位P的表面积与绝缘体的隔绝部位P的体积V的比例(S/V)的相关关系进行评价的结果。 另外，图8表示对隔绝部位P的绝缘电阻值和绝缘体的隔绝部位P的表面积S与绝缘体的 隔绝部位P的体积V的比例(S/V)的相关关系进行评价的结果。如图7所示，可发现以下趋势随着绝缘体的隔绝部位P的表面积S与绝缘体的隔 绝部位P的体积V的比例(S/V)变大，沿面放电的发生频度降低。S/V为1.26mm1以上时， 沿面放电的发生频度为2%以下。另外，如图8所示，可发现以下趋势随着S/V变大，隔绝 部位P的绝缘电阻值也对数增大。一般来说，绝缘电阻值为数十MQ时能抑制中心电极和 主体配件之间的沿面放电，且S/V为1. 20mm1以上时足够，然而S/V为1. 24mm 1以上时绝缘 电阻值为100MQ以上，因此为了更可靠地防止沿面放电，优选S/V为1. 24mm 1以上。通过 以上可确认当S/V为1.26mm1以上时，能更可靠地防止沿面放电。实施例2接下来，为了对绝缘体10的隔绝部位P的表面积S与绝缘体10的隔绝部位P的 体积V的比例的上限进行确认，进行评价试验。与实施例1同样地按以下方式制造6种绝 缘体使腿部(隔绝部位P的中间部P2)的外表面的形状各异，并使隔绝部位P的表面积S与隔绝部位P的体积V的比例(S/V)在1. 20-1. 45 [mm"1]的范围内各相差0. 05mm、从而准 备将上述绝缘体替换为主体配件的螺纹的公称直径为M12且热值为6的现有火花塞的绝缘 体而安装的样品。另外，所有样品的腿部在轴线0方向上的长度都为15mm。然后，将各样品 安装到用与发动机头相同的铝材制作的、具有循环着25°C的冷却水的水冷机的铝轴瓦上， 并从轴线0方向的前端侧垂直放置丙烷燃烧器对各样品加热，从而测定此时中心电极前端 部的温度。图9表示对中心电极前端部的温度和绝缘体的隔绝部位P的表面积S与绝缘体 的隔绝部位P的体积V的比例(S/V)的相关关系进行评价的结果。如图9所示，随着S/V变大，受热量增多，中心电极的前端部的温度增高。并且，当 S/V大于1.40mm1时，中心电极的前端部的温度超过1000°C，可能容易发生预燃等，因此需 要使用更高热值型(冷型)的火花塞。实施例3接下来，为了确认主体配件的前端面和筒孔的内周面形成的棱角部位W与绝缘体 的隔绝部位P处的外表面之间的最短距离L优选比火花放电间隙GAP的大小G大，进行评 价试验。在该评价试验中，和实施例1同样地按以下方式制造4种绝缘体使腿部(隔绝部 位P的中间部P2)的外表面的形状各异，并使主体配件的棱角部位W与绝缘体的隔绝部位 P的外表面之间的最短距离为1. 0,1. 1U. 2,1. 3[mm]。并且，将各绝缘体替换为主体配件的 螺纹的公称直径为M12且热值为6的现有火花塞的绝缘体而安装，并按上述最短距离L的 顺序称为样品11-14。此时，各样品的火花放电间隙GAP的大小G都调整为1.1mm。将上述 各样品安装到加压舱上，并在舱内填充惰性气体，然后将内压调整到IMpa并进行500次火 花放电。然后拍摄该火花放电的样态，500次的火花放电中，对在正常的火花放电间隙GAP 中不发生火花放电，而在主体配件的棱角部位W与绝缘体的隔绝部位P的外表面之间发生 火花放电(所谓侧跳火)的次数进行计数。表1表示该评价试验的结果。[表 1]
权利要求
一种火花塞，其特征在于，包括中心电极；绝缘体，具有沿着所述中心电极的轴线方向延伸的轴孔，并在该轴孔内的前端侧保持所述中心电极；主体配件，具有沿着所述轴线方向延伸的筒孔，并且在该筒孔内具有保持部，该保持部在所述绝缘体的圆周方向的一周上与所述绝缘体的外表面直接或间接抵接、用于将所述绝缘体保持在所述筒孔内；以及接地电极，一端部与所述主体配件接合，另一端部一侧朝向所述中心电极的前端部弯曲，并且该另一端部与所述中心电极的所述前端部之间形成火花放电间隙，当将所述绝缘体中的、从所述轴线方向的前端侧观察时比所述绝缘体最早直接或间接地与所述保持部接触的位置Q靠近所述轴线方向的前端侧的部位称为隔绝部位时，所述隔绝部位的所述外表面中的、与构成所述保持部的面中朝向正交于所述轴线方向的径向内侧的内向面相对的部分、与所述内向面配置为在圆周方向的一周上在所述径向具有0.4mm以下的间隙，所述绝缘体的所述隔绝部位的所述外表面的表面积S与所述绝缘体的所述隔绝部位的体积V的比例(S/V)满足1.26≤S/V≤1.40[mm 1]，并且所述绝缘体的所述隔绝部位的最大外径为所述绝缘体的所述位置Q的外径以下。
2.如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述隔绝部位的所述轴线方向的前端部从所述主体配件的前端突出1.0mm以上，在所 述隔绝部位的所述前端部的所述外表面上，对前端面和外侧面所形成的棱角部分进行倒角 尺寸为0. 4mm以下的R倒角，并且所述隔绝部位的所述前端部中的所述绝缘体的所述轴孔 和所述中心电极在所述径向上的距离为0. 05mm以上。
3.如权利要求2所述的火花塞，其特征在于，所述隔绝部位的所述前端部形成沿着所述轴线方向延伸的圆筒形状，且被配置为在 所述轴线方向上跨越所述主体配件的前端的位置，并且所述隔绝部位的所述前端部的所 述表面积S与所述隔绝部位的所述前端部的所述体积V的比例(S/V)满足1.40 V ^ 2. 00 [mm-1]。
4.如权利要求1-3中任一项所述的火花塞，其特征在于，所述主体配件在自身的外周侧上具有用于将自身安装到内燃机上的形成有螺纹的安 装部，该螺纹的公称直径为M8-M12，并且在所述径向上，由所述主体配件的前端面和所述筒孔的内周面形成的棱角部位与所述 绝缘体的所述隔绝部位的所述外表面之间的最短距离L大于所述火花放电间隙的大小G。
5.如权利要求1-4中任一项所述的火花塞，其特征在于，所述绝缘体的所述隔绝部位在所述径向上的最小厚度T为0. 5mm以上。
全文摘要
火花塞(100)的绝缘体(10)通过隔绝部位(P)使中心电极(20)的前端部(22)和主体配件(50)的保持部(56)处于绝缘状态，并通过在中间部(P2)上设置外径变化并延伸的部位来确保两者的绝缘距离。并且，通过使隔绝部位(P)的外表面(14)的表面积(S)与隔绝部位(P)的体积(V)的比例(S/V)满足1.26mm-1≤S/V，可按照现有的尺寸条件充分地确保前端部(22)与保持部(56)的绝缘距离。并且，通过满足S/V≤1.40mm-1，可抑制伴随着外表面(14)的表面积(S)的增大导致来自燃烧室的受热量增大而发生的中心电极(20)的温度上升，并维持热值条件。
文档编号H01T13/16GK101978565SQ20098010964
公开日2011年2月16日 申请日期2009年3月17日 优先权日2008年3月18日
发明者加藤友聪, 本田稔贵, 栗林诚, 黑野启一 申请人:日本特殊陶业株式会社