具有多梯级的绝缘体支座的火花塞的制作方法

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的火花塞。这样的火花塞例如由de10344186al中已知。

背景技术：

一直以来，良好发挥功能的火花塞及其组件必须满足一系列要求、例如长寿命、可靠的点火特性、击穿强度和气密性。在此，诸如燃烧室中的温度和压力的条件变得越来越极端，在所述条件下火花塞必须可靠地并且尽可能长时间地发挥功能。在马达运行时在燃烧室中存在的温度和压力条件特别是考验所安装的火花塞的气密性。

现今的火花塞具有一系列密封元件和密封材料，以用于获得并且确保所必需的气密性。在图2中示出了一种用于对绝缘体和壳体之间的间隙进行密封的解决方案。壳体在其内侧面上具有内直径的、朝着燃烧室侧的壳体端部的方向的变细部。这种变细部也被称为壳体支座。壳体支座的表面相对于壳体纵轴线或者典型地与壳体纵轴线重合的火花塞纵轴线倾斜了角度α。α典型地在55°-65°的范围内。绝缘体同样具有其外直径的、朝着其燃烧室侧的端部或其绝缘体托架的方向的变细部。这种变细部被称为绝缘体支座或者也被称为托架凹槽。绝缘体支座的表面相对于绝缘体纵轴线或者典型地与绝缘体纵轴线重合的火花塞纵轴线倾斜。通常，壳体支座和绝缘体支座相对于火花塞纵轴线具有不同的倾斜度。绝缘体支座安放在壳体支座上，其中在两个支座面之间布置有经常以密封垫圈或密封圈形式构成的内密封件。通过将壳体和绝缘体彼此挤压在一起这种方式，内密封件变形并且与壳体支座和绝缘体支座分别构成轴向的密封面。对于m12火花塞来说，轴向的密封面典型地具有大约10mm²的大小。这种密封方案对于在燃烧室中的大约220℃以下的温度和大约22bar以下的压力而言已经受良好考验。

然而，对马达的性能的要求在提高，并且因此对火花塞的要求也在提高。特别是在小型化马达的领域中，要以越来越高的压力和温度来工作，由此新的负荷作用于火花塞。300℃以下的温度和30bar以下的压力越来越多地成为规则并且在内燃机运行时不再是例外。

对于外密封件来说，通过用于将火花塞拧入气缸盖中的拧紧力矩拥有一定的间隙，用于气密地得到火花塞与气缸盖之间的过渡区。因此，例如目前m12火花塞以高达60nm的拧紧力矩被拧紧，而以前40nm的拧紧力矩就已足够。

技术实现要素：

然而，事实已经表明，迄今的用于内密封性、即壳体和绝缘体之间的间隙的密封方案随着要求以及作用于火花塞的力的不断提高而接近其极限。更高的拧紧力矩尤其用于使壳体在安装期间在螺纹的区域中延长。在螺纹的区域中，壳体支座处于壳体的内侧面上。通过伸长降低了用于将壳体和绝缘体彼此挤压在一起的预紧力，由此内密封件不再以足够的牢度被压入在壳体和绝缘体之间，由此内密封件和绝缘体或壳体之间的表面压力减小，并且由此密封面也减小，并且密封面不再足以抵抗在燃烧室中存在的大压力，以便火花塞具有足够的气密性。

因此，本发明的任务是，如此改进一种开头所提到的类型的火花塞，从而即使在燃烧室中的温度和压力升高时火花塞以及尤其是绝缘体与壳体之间的间隙也很可靠地是气密的。为此需要新颖的内密封方案或内密封系统。

根据本发明，该任务在开头所提到的类型的火花塞中通过如下方式来解决，即：绝缘体支座具有至少一个梯级，该梯级具有第一区段和至少一个第二区段，其中第一区段和第二区段相对于彼此具有大于0°的角度γ，并且第一区段平行于绝缘体纵轴线，其中内密封件抵靠在这个第一区段上，从而在绝缘体上构成径向的密封面。

按本发明的火花塞具有壳体、布置在壳体内部的绝缘体、布置在绝缘体内部的中心电极、布置在壳体的面向燃烧室的端面上的地电极，其中地电极和中心电极如此布置，使得这两个电极构成点火间隙。

绝缘体沿着其纵向延伸具有纵轴线x。如果例如在沿着纵轴线的剖面中观察绝缘体，那么这条纵轴线也能够是绝缘体的镜像轴线和或旋转轴线。绝缘体纵轴线x典型对于已安装的火花塞来说与火花塞纵轴线和壳体纵轴线重合。绝缘体能够沿着其纵轴线被划分为三个区域：绝缘体托架、绝缘体本体和绝缘件头部。形成绝缘体的燃烧室侧的端部的区域被称为绝缘体托架。绝缘体头部形成绝缘体的背向燃烧室的端部。绝缘体本体布置在绝缘体头部和绝缘体托架之间。这三个区域经常具有不同的外直径，其中在一个区域之内的外直径也能够变化。在区域之间的过渡区构造为凸肩或凹槽。绝缘体本体与绝缘体托架之间的过渡区也被称为托架凹槽或绝缘体支座。

此外，壳体在其内侧面上具有壳体支座，绝缘体以其绝缘体支座安放在壳体支座上，其中在壳体支座与绝缘体支座之间布置有内密封件，使得内密封件、壳体支座和绝缘体支座形成密封系统。

根据本发明来规定，绝缘体支座具有至少一个梯级，其具有第一区段和至少一个第二区段，其中第一区段和第二区段相对于彼此具有大于0°的角度γ，并且第一区段平行于绝缘体纵轴线x，其中内密封件抵靠在这个第一区段上,从而在所述绝缘体上构成径向的密封面。更准确地说，径向的密封面构造在绝缘体支座中的梯级的第一区段与内密封件之间。

通过径向的密封面的构成得到的优点是，尽管由于在将火花塞拧入到气缸盖中时出现的壳体伸长而降低了壳体和绝缘体之间的预紧力，但是火花塞仍保持良好的气密性。预紧力是一种力，其具有大的轴向的力分量和较小的径向的力分量。因此，主要由内密封件和绝缘体之间的径向地起作用的力引起的径向密封面几乎不受壳体伸长和预紧力的、特别是轴向分量的、由壳件伸长相关的降低的影响。在火花塞的运行中显示出另一优点。由于在火花塞的运行期间的更高的温度，内密封件的材料以及火花塞的其他组件发生膨胀。本申请人的研究已经表明，内密封件沿着轴向方向具有比沿着径向方向大的热膨胀，也就是说，随着在火花塞或马达的运行期间的温度升高，沿着轴向方向起作用的力关系发生变化，由此降低了轴向的密封面上的密封性。与此相反，沿着径向方向起作用的力关系相对地不受内密封件的热膨胀的影响并且因此径向的密封面上的密封性也相对地不受影响。

在本申请的意义上，轴向的力或力分量指的是平行于火花塞的纵轴线起作用的力。相应地，径向的力或力分量指的是垂直于火花塞的纵轴线起作用的力。在此，作用力能够分别被划分成轴向的和径向的力分量。

在本申请的范围内，不在狭隘的几何的词义上使用词语“平行”。作为“平行”特别是结合平面的定向，也将比如通过由于制造条件的不确定性而产生的、与严格的几何上的平行性的小偏差视为平行的定向。例如，表面或区段被视为平行于或者基本上平行于绝缘体纵轴线，如果所述表面或区段相对于绝缘体纵轴线至多具有10°的角度。

在本申请中，每个抵靠在基本上与绝缘体纵轴线、壳体纵轴线或火花塞纵轴线平行的表面或区段上的密封面被视为径向的密封面。相应地，所有其他的抵靠在垂直于或者以一定角度相对于绝缘体纵轴线、壳体纵轴线或火花塞纵轴线定向的表面或区段上的密封面是轴向的密封面。

本发明的其它有利的设计方案是从属权利要求的主题。

在火花塞的一种有利的改进方案中规定，绝缘体支座上的梯级除了径向的密封面之外还具有至少一个轴向的密封面，尤其是所述轴向的密封面构造在所述梯级的至少一个第二区段上。通过扩大了总密封面，由此产生内密封系统的更好的总密封性。另外也产生以下效应，即：主要受到作用于绝缘体、内密封件和壳体的轴向力影响的轴向的密封面以及主要受到作用于绝缘体、内密封件和壳体的径向力影响的径向的密封面受到所述预紧力的不同分量的影响，由此一个密封面在对于另一个密封面来说功能例如由于相应的力分量的减低而降低时能够保持其功能性。

总体上，已证实有利的是，所述梯级具有第一区段和两个第二区段，其中第一区段布置在两个第二区段之间。与内密封件一起得到径向的密封面，该径向的密封面布置在两个轴向的密封面之间。由此产生的优点是，内密封件抵靠在绝缘体支座上的梯级的第一区段的整个表面上并且因此在这个第一区段上形成尽可能大的径向的密封面。此外，通过轴向的和径向的密封面的组合扩大了总密封面，并且由于绝缘体支座上的梯级的第一和第二区段的成角度的布置，气体要泄漏而必须经过的路径被延长，由此在总体上改进了内密封系统的气密性。

在一种有利的实施方式中规定，绝缘体支座具有多个梯级，这些梯级分别具有第一区段，这些第一区段与内密封件一起构成多个径向的密封面。由此，上面所描述的技术效应和优点特别好地发挥作用。如果像在这种实施方式的一种改进方案中那样多个径向的密封面分别通过轴向的密封面连接，那尤其也是这种情况。

在绝缘体支座上具有多个径向的密封面的实施方式中，存在着一个径向的主密封面连同至少一个径向的副密封面。作为补充方案或替代方案，对于多个轴向的密封面来说，相应地在绝缘体支座上存在着一个轴向的主密封面连同至少一个轴向的副密封面。在此，主密封面和副密封面的区别在于其密封面的大小。典型地存在着一个径向的或轴向的主密封面和多个副密封面，其中主密封面具有在绝缘体和内密封件之间的最大的密封面。在沿着绝缘体的纵轴线测量的情况下，径向的主密封面与其它径向的密封面相比具有最大的长度。相应地，这适用于轴向的密封面，其中在这里垂直于或者以一定角度相对于绝缘体纵轴线来测量所述长度。

径向的主密封面有利地由径向的副密封面沿着绝缘体纵轴线来包围，其中径向的密封面通过轴向的密封面来连接。轴向的主密封面能够直接布置到径向的主密封面上。

径向的副密封面例如也能够构造在绝缘体托架和/或绝缘体本体上，也就是说，内密封件在变形之后伸出超过绝缘体支座。由此得到的优点是，绝缘体支座的整个表面被用作密封面，其中密封面由径向的和轴向的密封面的区段所组成。通过密封面的梯级式的布置，气体的泄漏路径特别长，由此火花塞即使在高的气体压力下也保持其气密性。

内密封件的、在安装火花塞并且该内密封件弹性塑性变形之后的精确形状以及与此相关轴向的及径向的密封面（数目和布置）的具体的构造、像比如数目和布置取决于各种因素、像比如绝缘体与壳体之间的在绝缘体支座上方和下方的间隙尺寸、绝缘体支座中的梯级的数目、用于将绝缘体压入在壳体中的预紧力或者密封轮廓的面积。由此也得到如下可能性，也就是通过这些因素的相应的设计方案使内密封系统案与特殊的负荷和要求相匹配，以用于由此为相应的应用对火花塞进行优化。

本申请人的研究已经表明，有利的是，绝缘体支座上的梯级的第二区段相对于绝缘体纵轴线（x）具有至少90°的角度γ。进一步的研究已经表明，直至175°的角度γ以能再现的方式得到上面所描述的技术效应。从研究中也发现，对于一个梯级的多个第二区段来说或者对于多个梯级来说，第二区段相对于绝缘体纵轴线x能够全部具有相同的角度γ或者不同的角度γ。如果所有第二区段以相同的角度γ相对于绝缘体纵轴线倾斜，那么这就简化了制造并且因此也降低了制造成本。具有相对于绝缘体纵轴线的不同角度γ的第二区段提供了在火花塞的精确的设计方案中对壳体支座或类似部件上的可能的特殊性作出反应并且相应为特殊情况对绝缘体支座上的梯级进行调整的可行方案，以便获得火花塞的最佳的气密性。

进一步的研究已经额外地表明，壳体支座能够相对于绝缘体纵轴线x撑开角度β，该角度能够具有由比在按照现有技术的内密封方案中大得多的数值范围构成的数值，在该内密封方案中典型地α＝55°-65°。角度β是在壳体壁内部的角度。对于现有技术中的角度α来说，相应地得到115°至125°的角度βsdt。在按本发明的火花塞中，当β具有至少80°的数值时，按本发明的内密封系统已经发挥功能，并且对于β的最大170°以下的数值来说也仍然发挥功能。优选用于β的数值为至少90°并且最大160°。换而言之，对于按本发明的内密封系统来说β能够用于从中选择的数值范围具有从在角度β＝90°处开始的至少70°的宽度、优选从在角度β＝80°处开始的至少90°的宽度，而对于按照现有技术的密封座来说用于βsdt的数值范围典型地仅仅具有10°的宽度。

在本发明的另一种有利的设计方案中，内密封件在安装之前在剖面中具有平行于绝缘体纵轴线x测得的高度h和垂直于绝缘体纵轴线x测得的宽度d。在此已经证实有利的是，内密封件的宽度d与高度h的比例至少为0.5、尤其是至少为0.75。内密封件优选是固体、像比如密封圈或密封垫圈，也就是说，内密封件不是挤压成形的粉末包。

内密封件的宽度有利地大于壳体支座的深度。壳体支座的深度ag作为壳体的在壳体支座上方的或者朝壳体的背向燃烧室的一侧的方向的内直径cg与壳体的在壳体支座下方的、即在壳体的燃烧室侧的端部的方向的内直径bg之间的一半差而产生。绝缘体支座的深度ai类似地被定义为绝缘体的在绝缘体支座上方的、即在绝缘体本体上的外直径ci与绝缘体的在绝缘体支座下方的、即在绝缘体托架上的外直径bi之间的一半差。例如，绝缘体支座ai的深度小于或等于壳体支座ag的深度。

此外，有利的是，绝缘体支座上的径向的密封面具有平行于绝缘体纵轴线x测得的高度，该高度为内密封件的高度h的至少30%、特别是至少36%。

作为替代方案，对于绝缘体支座上的多个径向的密封面来说，绝缘体支座上的径向的主密封面具有平行于绝缘体纵轴线x测得的高度，该高度为内密封件的高度h的至少30%、特别是至少36%。另外，能够考虑，绝缘体支座上的径向的副密封面具有平行于绝缘体纵轴线x测得的高度，该高度为内密封件的高度h的至少1%、特别是至少5%。

对于轴向的密封面来说，已经证实有利的是，所述轴向的密封面在绝缘体支座上具有垂直于绝缘体纵轴线x测得的宽度，该宽度为内密封件的宽度d的至少15%、尤其是至少20%。就多个轴向的密封面的情况而言，在绝缘体支座上的轴向的主密封面能够具有垂直于绝缘体纵轴线x测得的宽度，该宽度为内密封件的宽度d的至少15%、特别是至少20%。作为补充方案或替代方案，绝缘体支座上的轴向的副密封面能够具有垂直于绝缘体纵轴线x测得的宽度，该宽度为内密封件的宽度d的至少1%、特别是至少5%。

原则上可能的是，内密封件和壳体能够在壳体支座上构成轴向的密封面并且在壳体的内侧面上构成径向的密封面。在此，已经证实有利的是，壳体上的径向的密封面具有平行于绝缘体纵轴线x测得的高度，该高度为内密封件的高度h的至少30%、特别是至少36%。

在本发明的一种有利的改进方案中，绝缘体支座上的直接与绝缘体托架邻接的轴向的（副）密封面至少具有以下宽度，该宽度对应于绝缘体托架和与绝缘体托架对置的壳体内侧面之间的、直接在绝缘体支座处的间隙宽度、尤其最窄的间隙宽度。另外，有利的是，与绝缘体托架邻接的轴向的（副）密封面的宽度也至少对应于绝缘体本体与对置的壳体内侧面之间的间隙宽度，如果这个间隙具有比绝缘体托架与壳体内侧面之间的间隙大的宽度。

附图说明

图1示出一种用于火花塞的实施例；

图2详细地示出了按照现有技术的火花塞的壳体支座、绝缘体托架和内密封件的布置；

图3详细地示出了在安装之前按本发明的火花塞的带有梯级的绝缘体托架、内密封件和壳体支座；

图4详细地示出了在安装之后按本发明的火花塞的带有梯级的绝缘体托架、内密封件和壳体支座；

图5示出了用于按本发明的火花塞的带有梯级的绝缘体托架；

图6示出了用于按本发明的火花塞的壳体支座的一种实施例。

具体实施方式

图1以半剖切的视图示出了火花塞1。火花塞1包括壳体2。绝缘体3被插入到壳体2中。壳体2和绝缘体3分别沿着其纵轴线具有钻孔。壳体2的纵轴线、绝缘体3的纵轴线x和火花塞1的纵轴线重合。中心电极4被插入到绝缘体3中。此外，连接螺栓8延伸到绝缘体3中。在连接螺栓8上布置有连接螺母9，火花塞1能够通过该连接螺母与电压源电接触。连接螺母9形成火花塞1的背向燃烧室的端部。

在所述中心电极4与所述连接螺栓8之间，在所述绝缘体3中有也被称为板（panat）的电阻元件7。电阻元件7将中心电极4与连接螺栓8导电地连接起来。电阻元件7例如构造为由第一接触板、电阻板和第二接触板构成的层系统。电阻元件的层的区别在于其材料组成和由此产生的电阻。第一接触板和第二接触板能够具有不同的电阻或相同的电阻。

在壳体2上在其面向燃烧室的端面上导电地布置有地电极5。在地电极5和中心电极4之间产生点火火花。

壳体2具有杆部。在该杆部上构造了多边形结构21、收缩凹口（schrumpfeinstich）和螺纹22。螺纹22用于将火花塞1拧入到内燃机中。在螺纹22和多边形结构21之间布置有外部的密封元件6。在这种实施例中，外部的密封元件6构造为折叠式密封件。

绝缘体3典型地被分成三个区域：绝缘体托架31、绝缘体本体31和绝缘体头部33。这三个区域的区别例如在于不同的直径。绝缘体托架31是绝缘体3的面向燃烧室的端部。在绝缘体托架31的内部布置有中心电极4。绝缘体托架31通常完全地或者至少以其长度的大部分-其长度平行于火花塞纵轴线或者绝缘体纵轴线x来测量-布置在壳体2之内。通常，绝缘体托架31具有绝缘体3上的最小的外直径。

在与绝缘体托架31邻接的情况下布置了绝缘体本体32，该绝缘体本体通常完全被壳体2包围。绝缘体32具有比绝缘体托架31大的外直径。绝缘体托架31和绝缘体本体32之间的过渡区构造为凸肩或凹槽。这个过渡区也被称为托架凹槽或绝缘体支座35。

绝缘体头部33在绝缘体本体32的背向燃烧室的端部上与该绝缘体本体邻接并且形成绝缘体3的背向燃烧室的端部。绝缘体头部33从壳体2伸出来。绝缘体头部33的外直径处于绝缘体托架31和绝缘体本体32的外直径之间，其中这些区域典型地在其长度上没有恒定的外径，而是所述外直径能够变化。

壳体2在其内侧面上具有支座25。绝缘体以其凸肩或绝缘体支座35安放在壳体支座25上。在绝缘体支座35和壳体支座25之间布置有内密封件10。壳体支座25和绝缘体支座35的区域30在图1中通过圆圈来标记并且在随后的图2至6中进行详细描述。

图2详细地示出了按照现有技术的具有壳体支座25、绝缘体支座35和内密封件10的区域30。壳体支座25相对于火花塞纵轴线具有α＝55°-65°的斜度。绝缘体支座35的表面通过从绝缘体托架31到绝缘体本体32的过渡区来产生，对于该过渡区来说外直径连续地增大。在这种布置中，在壳体支座25、绝缘体支座35和内密封件之间产生大约10mm²的轴向的密封面，其中用于将壳体2和绝缘体3彼此挤压在一起的预紧力为1.50kn至10kn。

图3详细示出了在按照本发明将绝缘体3安装到壳体2中之前的区域30，该区域具有壳体支座25、绝缘体支座35和内密封件10。内密封件10安放在壳体支座25上。在安装绝缘体3之前，所述内密封件具有平行于火花塞的纵轴线或绝缘体纵轴线x测得的高度h以及垂直于火花塞的纵轴线或绝缘体纵轴线x测得的宽度d。

在这种实施例中，绝缘体支座35具有梯级，该绝缘体支座形成在绝缘体托架31和绝缘体本体32之间的过渡区。所述梯级可以分成三个区段。第一区段3510具有平行于绝缘体纵轴线x的表面，因此这个第一区段3510也平行于绝缘体纵轴线x。另外两个区段3520-也被称为第二区段-相对于第一区段3510倾斜了角度γ。在此，在这里例如每个第二区段3520相对于第一区段3510或者相对于绝缘体纵轴线x具有其它角度γ。作为替代方案，不同的第二区段3520能够相对于第一区段3510或者相对于绝缘体纵轴线x具有相同的角度γ。

图4详细示出了在按照本发明将绝缘体3安装到壳体2中之后的区域30，该区域具有壳体支座25、绝缘体支座35和内密封件10。由于将绝缘体3安装到壳体2中而产生作用于内密封件10的力，由此使内密封件10变形并且在绝缘体3上并且在绝缘体支座35上并且在壳体2和壳体支座25上构成径向的密封面251、351a、351b、351c以及轴向的密封面252、352a、352b、352c。径向的密封面351a、351b总是在内密封件10和绝缘体3或壳体2的平行于绝缘体纵轴线x的表面之间形成。在本申请的意义上，也将以下表面视为平行，所述表面由于制造过程而相对于火花塞的纵轴线或者绝缘体纵轴线x具有轻微的倾斜度、也就是说小于10°的角度。

在壳体2上形成径向的密封面251并且在壳体支座25上形成轴向的密封面252。

在这种实施例中，绝缘体支座35具有两个梯级并且因此具有两个第一区段3510a、3510b和多个第二区段3520a、3520b、3520c。在第一区段3510a、3510b上构成径向的密封面351a、351b。在此，在第一区段3510a上形成径向的主密封面351a并且在另一个第一区段3510b上形成径向的副密封面351b。典型地构成一个主密封面和多个副密封面，其中主密封面被相邻的副密封面包围。主密封面典型地是最大的表面。除了径向的密封面，在绝缘体支座上也在第二区段3520a、3520b上构成轴向的密封面352a、352b。对于轴向的密封面352a、352b来说，也能够再次区分主密封面和副密封面。

由于绝缘体支座的梯级形状，径向和轴向的密封面交替。

不排除像例如绝缘体托架31上的径向的密封面351c一样也在绝缘体托架31或绝缘体本体32上形成径向的密封面。

不必要的是，在绝缘体支座35上的梯级的所有区段上构成密封面。如在这种实施例中所示，没有问题的是，在布置于绝缘体支座35的边缘处的区段3520c上没有构成密封面。

与绝缘体托架31邻接的轴向的副密封面352b应当比绝缘体托架31和壳体2之间、也就是绝缘体支座35下方的间隙宽度e宽并且/或者比绝缘体本体32和壳体2之间、也就是绝缘体支座35上方的间隙宽度f宽。

图5再次详细示出了具有两个梯级的绝缘体支座35。可以看到绝缘体纵轴线x使绝缘体支座35上的两个梯级在其第一和第二区段3510、3520a、3520b之间分别具有不同的角度γ。角度γ具有90°至175°的数值。绝缘体支座35的深度ai由绝缘体托架31处的直径bi与绝缘体本体32处的直径ci的一半差来产生。

在图6中详细示出了壳体支座25。壳体支座25的深度ag由壳体的在绝缘体托架高度上的内直径和在壳体支座上方的壳体内直径cg的一半差来产生。所述直径垂直于壳体纵轴线来测量。壳体支座25以角度β相对于壳体纵轴线倾斜。β具有90°至160°的数值。原则上，β也能够具有小于90°的数值，然而制造过程更加困难并且制造成本更高。