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：
本发明涉及一种用在内燃机中的火花塞。以下，术语"前" 表示火花塞的轴向的火花放电侧，术语"后"表示与前侧相反
背景技术：
内燃机用火花塞包括沿火花塞的轴向延伸的中心电极； 绕中心电极布置的绝缘体；绕陶瓷绝缘体布置的金属壳；以及 在后端部结合到金属壳的前端部的接地电极。通常，接地电极 的横截面呈大致矩形，并且以使接地电极的前端部面对中心电 极的前端部的方式弯曲，以在中心电才及的前端部和接地电极的 前端部之间限定火花间隙。在一些情况下，贵金属合金的电极
头(贵金属电极头)可以结合到中心电极的前端部和接地电极 的前端部以提高耐火花损耗性(spark wear resistance )。
当火花塞在可引起空气-燃料混合物与接地电极的外(背) 表面碰撞的位置被安装到发动机的气缸盖上时，接地电极可能 防碍空气-燃料混合物流入火花间隙。这导致发动机点火性的 改变。
为了防止这种点火性的改变，日本特开平11-121142号公 报提出了一种具有两个或更多个接地电极的火花塞，其中各接 地电极的横截面均基本上为圆形(即，形状基本上为圆柱状)， 即使在火花塞位于使空气_燃料混合物与接地电极的外周面碰 撞的位置时，仍允许空气-燃料混合物易于流到接地电极的内 周侧，而后流到火花间隙。

发明内容
近年来，随着的增压器和可变阀系统的各种组合已经开发 出了高压缩率、高输出的发动机。也开发出了具有直接向气缸 中的高度压缩的空气喷射燃料的喷射器的所谓喷引式直喷式发
动机(spray-guide direct-injection engine )。 这些发动机趋 于达到十分高的气缸温度。可以想象，在这种高温发动机条件 下，通过直接喷射燃料，相对低温的燃料将直接碰撞暴露于高 温下的接地电极。在这种情况下，接地电极被燃料骤然冷却， 从而可能遭受晶粒缺陷形成现象(也称为"虫孔(wormhole) 现象")，在该现象中， 一些晶粒从晶界脱落。晶体缺陷形成现 象更可能在圆柱形的接地电极的情况下发生。
因此，本发明的一个目的在于提供一种内燃机用火花塞， 其能够在燃料直接喷射的情况下保护接地电极不发生晶粒缺陷 形成的同时，不受空气-燃料混合物的流入方向的影响地确保 发动机点火性的改善。
根据本发明的一个方面，提供一种内燃机用火花塞，其包 括圆筒状金属壳，该金属壳沿所述火花塞的轴线方向配置； 圆筒状绝缘体，该绝缘体被保持在所述金属壳中；柱状中心电 极，该中心电极4皮布置在所述绝缘体中并且该中心电极的前端 部从所述绝缘体突出；以及接地电4及，该接地电极在其后端部 结合到所述金属壳的前端部并且以如下方式弯曲使所述接地 电极的前端部朝向所述火花塞的轴线延伸，以在所述中心电极 的所述前端部和所述4妄地电极的所述前端部之间限定火花间 隙，所述接地电极包括在其外周面上形成的平面区，该外周面 与面对所述绝缘体的内周面相反，所述平面区位于所述4妻地电 极的所述前端部上，并且在所述纟秦地电纟及的纵向上,人所述接地 电极的前端面起的长度为0.2mm以上，所述接地电才及的所述外周面的除所述平面区以外的任何区域均是凸曲面，关于沿垂直
述任何区域的所述接地电极的第 一横截面和沿垂直于所述接地 电极的所述纵向的方向穿过所迷平面区的所述接地电极的第二
横截面，所述接地电极满足以下尺寸条件(1 ): 0.950S(S2/L2)/(S1/L1) ( 1 ),其中，Sl是所述第一
横截面的面积；Ll是所述第一横截面的周长；S2是所述第二横 截面的面积；L2是所述第二横截面的周长。
从以下说明中可以理解本发明的其他目的和特征。


图l是根据本发明的第 一 实施方式的火花塞的部分剖视图。
图2是根据本发明的第 一 实施方式的火花塞的前端部的放 大剖视图。
图3是根据本发明的第 一 实施方式的火花塞的前端部的侧 视图。
图4是根据本发明的第 一 实施方式的火花塞的前端部的俯 视图。
图5是根据本发明的第 一 实施方式的火花塞的接地电极的 立体图。
图6是根据本发明的第 一 实施方式的火花塞的接地电极的 侧-现图。
图7A是沿图6的J-J线截取的接地电极的剖面图。 图7 B是沿图6的K - K线截取的接地电极的剖视图。 图8A是示出燃料与根据本发明的第 一 实施方式的接地电 极直接石並撞的4几理的示意图。机理的示意图。
图9A、 9B和9C是示出根据本发明的第一实施方式的接地 电极的变型的横截面形状的示意图。
图9D是示出超出本发明的范围的接地电极的横截面形状 的示意图。
图IO是根据本发明的第 一 实施方式的火花塞的前端部的 变型的放大剖视图。
图ll是根据本发明的第二实施方式的火花塞的局部剖视图。
图12是根据本发明的第二实施方式的火花塞的前端部的 放大剖视图。
图13是根据本发明的第二实施方式的火花塞的接地电极 的立体图。
图14A是根据本发明的第二实施方式的火花塞的接地电极 的俯视图。
图14B是根据本发明的第二实施方式的火花塞的接地电极 的端视图。
图15是示出根据本发明的第二实施方式的火花塞的前端 部的尺寸结构的示意图。
图16A是示出空气-燃料混合物流到并绕过根据本发明的 第二实施方式的接地电极的示意图。
图16B是示出空气-燃料混合物流到并绕过根据现有技术 的接地电极的示意图。
图17A是根据本发明的第一或第二实施方式的接地电极的 变型的端视图。
图17B是根据本发明的第 一 或第二实施方式的接地电极的另 一实施例的立体图。
图18是根据本发明的第一或第二实施方式的接地电极的 再一实施例的立体图。
图19是根据本发明的第 一 或第二实施方式的接地电极的 还一实施例的俯一见图。
图2 0是示出实验1中耐久性试验的结果的图。
图21是示出实验l中点火正时与横截面积比率之间的关系 的图。
图22是示出实验2中耐久性试验的结果的图。 图23A、23B和23C是示出实验3中的燃料喷射角的示意图。 图24是示出实验3中的点火性评价结果的图。 图25是示出实验4中的点火性评价结果的图。 图26是示出实验5中耐久性试验的结果的图。 图2 7是示出实验6中的点火性评价结果的图。
具体实施例方式
下面将通过以下实施方式详细说明本发明，其中，用同样 的附图标记标出相同的部件和部分以省略对这些相同的部件和 部分的重复说明。
下面首先参照图l至图IO说明根据本发明的第 一实施方式 的内燃机用火花塞l。
参照图1和图2，火花塞l包括陶瓷绝缘体2、金属壳3、具 有贵金属电极头31的中心电极5、端子电极6、具有贵金属电极 头32的接地电4及27、以及电阻元件7。
陶瓷绝缘体2形成为大致圆筒形，具有沿火花塞l的轴线 CL1方向(以下简称为"轴向")延伸的通孔4，并且由例如烧结 氧化铝等烧结陶瓷材料制成。如图1所示，陶瓷绝缘体2包括
8在陶瓷绝缘体2的大约轴向中央位置径向向外突出的凸缘部 11;位于凸缘部11的前侧的主体部12,该主体部12的直径小于 凸缘部ll的直径；以及位于主体部12的前侧的腿部13，该腿部 13的直径小于主体部12的直径。在陶瓷绝缘体2的外周面上、 主体部12与腿部13之间的位置处形成台阶部14。
金属壳3形成为例如铁基材料或不锈钢(例如低碳钢S15C、 S25C等)等金属材料的圆筒形，并且金属壳3绕陶瓷绝缘体2 的外周面沿火花塞l的轴向配置，从而在其中保持陶瓷绝缘体2 的凸缘部ll、主体部12和腿部13。通常，如图l所示，金属壳3 包括阳螺紋部15、在螺紋部15的后侧径向向外突出的凸缘部 16、以及位于凸缘部16的后侧的工具接合部19。螺紋部15被旋 拧到发动机的气缸盖(cylinder head )的塞孔中，从而以使陶 瓷绝缘体2的腿部13暴露到发动机的燃烧室的方式将火花塞l 安装到发动机气缸盖上。凸缘部16坐落在发动机气缸盖上。密 封垫(gasket) 18被装配在螺紋部15的螺紋颈端(thread neck end) 17上，并且介于凸缘部16和发动机气缸盖之间。工具接 合部19成形为六角形横截面形状，用于与例如扳手等工具接合 以便将螺紋部15旋拧到发动机气缸盖的塞孔中。此外，在金属 壳3的内周面形成有台阶部21，使得陶瓷绝缘体2的台阶部14 与金属壳3的台阶部21接合。金属壳3在其后端部20处弯曲
(swage)到陶资绝缘体2上， 一对环状构件23和24介于陶瓷 绝缘体2和金属壳3之间并且在环状构件23和24之间填充滑石 粉25,以保持陶资绝缘体2并确保陶瓷绝缘体2与金属壳3之间 的气密性。为了密封燃烧室并防止燃烧气体从陶瓷绝缘体2的 腿部13和金属壳3的内周面之间泄漏，将环状板片密封垫
(annular plate packing) 22置于陶乾纟色纟彖体2的台阶部14和 金属壳3的台阶部21之间。以该方式，通过使陶瓷绝缘体2的台阶部14接合在金属壳3的台阶部21上并将金属壳3的后端部20 弯曲到陶瓷绝缘体2上，陶资绝缘体2经由密封垫22、环状构件 23和24以及滑石粉25被固定在金属壳3中。
中心电极5通常形成为圆柱(棒)状，并以使中心电极5的 前端部>夂人陶瓷绝l彖体2的前端部突出并朝中心电才及5的平坦端 面直径逐渐减小的方式装配在陶瓷绝缘体2的通孔4的前侧。在 第一实施方式中，中心电极5的主体具有纯铜或铜合金的内层 5A以及镍合金外层5B,以用于高效地进行热传导。
贵金属电极头31形成例如铱合金等贵金属合金的圆柱状， 并且通过焊接结合到中心电极5的前端面以便改善耐火花损耗 性。可以用例如激光焊接或电子束焊接等任何焊接技术进行焊 接，从而在贵金属电极头31和中心电极5之间形成熔接部41, 如图l和图2所示。
端子电极6被以使端子电极6的后端部从陶t;绝缘体2的后 端部突出的方式装配到陶瓷绝缘体2的通孔4的后侧。
电阻元件7被布置在陶资绝缘体2的轴向通孔4中、中心电 极5与端子电才及6之间，并且电阻元件7的前端部和后端部分别 经由导电玻璃密封层8和9电连接到中心电极5和端子电极6。
接地电极27在其后端部被结合到金属壳3的前端面26，并 且接地电极2 7以使接地电极2 7的前端部指向火花塞的轴线 CL1并基本上面对中心电极5的前端部(贵金属电极头31)的 方式被弯曲大约90度的角度。即，接地电才及27的前端部沿火花 塞1的径向延伸并且基本上面对中心电极5的前端部(贵金属电 极头31),而接地电纟及27的后端部沿火花塞1的轴向延伸(即， 平行于火花塞的轴线CL1 )。优选地，接地电极27的主体具有纯 铜或铜合金的内层27A以及镍合金的外层27B，在第一实施方 式中可使用例如I訓nel 600 (商标)或In函el 601 (商标)的镍合金。由于铜或铜合金的导热性比镍合金的导热性高，形
成这种内层27A能够有效地从接地电极27的内部传热。
贵金属电极头32形成为例如含有20 %质量百分数的铑的 铂合金等贵金属合金的圆柱状并通过焊接接合到接地电极27 的前端部，以改善耐火花损耗性。可以用任何焊接技术进行焊 接，例如激光焊接、电子束焊接或电阻焊接，以便在贵金属电 极头32和接地电极27之间形成熔接部42,如图l和图2所示。
利用上述结构，在中心电极5的前端部和接地电极27的前 端部之间、更具体地为在贵金属电极头31和32的相对端面之间 限定了火花间隙33,以使火花塞l在火花间隙33中大致沿火花 塞l的轴向产生火花放电。
尽管在第一实施方式中在各个电极5和27上设置了贵金属 电极头31和32，但这些贵金属电极头31和32不是必须的。例如， 如图10所示，可以仅在中心电极5上设置贵金属电极头31,而 不在接地电极27上设置贵金属电极头。在这种情况下，火花间 隙33被限定在贵金属电极头31和接地电极27的前端部之间。作 为可选方案，可以仅在接地电极27上设置贵金属电极头32，而 不在中心电极5上设置贵金属电极头。在这种情况下，火花间 隙33被限定在中心电极5的前端部和贵金属电极头32之间。可 以在中心电极5和接地电极27上均不设置贵金属电极头31和 32。在这种情况下，火花间隙33^:限定在中心电才及5的前端部 和接地电极27的前端部之间。
贵金属电极头31和32的材料不限于上述。其他任意贵金属 合金也能够用作贵金属电极头31和32的材料。各圆柱形贵金属 电极头31和32可以通过例如以下步骤获得制备贵金属坯料 (ingot)、在贵金属坯料中加入合金、使得到的熔化合金形成 为坯料、对合金坯料进行热锻和/或热轧(槽轧，grooved
iirolling )、将合金坯料拉长成棒状而后将合金坯料切断成规定 的长度。
这里，第一实施方式的火花塞1的特征在于接地电极27具 有基本上为圆形的横截面，并且在接地电极27的外周面上形成 有平面区51，该平面区51与接地电极27的面对中心电极5 (陶 瓷绝缘体2)的内周面相反，并且在从外侧观察接地电极27时 被直观辨识，如图3、 4和5所示。接地电极27的外表面的除平 面区51外的任何区域都弯曲成凸状，更具体地为圆弧状，曲率 半径为0.5mm-1.0mm (下面称作"凸曲区")。
平面区51位于接地电极27的前端部，其为矩形，从接地电 极27的前端面27s沿接地电极27的纵轴线方向的长度为0.2mm 以上(下面有时会称作"纵向长度")并且在与接地电极27的纵 向垂直的横向上的给定宽度(下面有时会称作"横向宽度")例 如为0.4mm至1.2mm,优选》也为0.5mm至l.Omm,更4尤选i也为 0.6mm至0.7mm。不具体限制形成平面区的方法。平面区51可 以通过例如切除或压力加工接地电极2 7的前端部的外周面的 给定部分形成。
此外，接地电极27满足以下尺寸条件 ( S2/L2 ) / ( S1/L1 ) SO.995
其中沿与^t妄地电才及27的纵向垂直的方向穿过凸曲区(例 如，沿图6的J-J线穿过接地电极27的后端部)截取接地电极27 的第一横截面，沿与接地电极27的纵向垂直的方向穿过平面区 51 (例如，沿图6的K-K线穿过接地电极27的前端部)截取接 地电极27的第二横截面，其中，Sl是第一横截面的面积；Ll 是第一横截面的周长；S2是第二横截面的面积；L2是第二橫截 面的周长。
接地电极27的形式不限于上述。对接地电极27的形式没有具体的限制，只要在接地电极27的外周面制成的平面区51与凸 曲区都满足尺寸条件0.950S ( S2/L2 ) / ( S1/L1 ) ￡0.995即可。 可以对4妄地电才及27进行多种变型。例如，可以以下面的方式变 型接地电极27:使接地电极27的除平面区51外的外周面具有圆 弧状的横截面轮廓，而接地电极27的内周面具有平坦的(直的) 横截面^^廓，并且在接地电极27的相反侧面上形成或者不形成 平面区，如图9A、 9B和9C所示。然而，将接地电极27变型为 如图9D所示的圓角矩形截面是不实用的，因为除了外圆角外，
为是凸曲区。
当火花塞l进入使燃料和空气直接与接地电极27的外周 (背)面碰撞的位置时，空气-燃料混合物易于绕接地电极27 的凸曲区从外周侧流到内周侧。因而，可以确保空气-燃料混 合物流入火花间隙33,改善发动机点火性和火焰传播特性。
然而可以想到，当接地电极27的前端部温度达到最高时， 温度相对较低的燃料将直接碰撞接地电才及2 7的前端部的外周 面。在这种情况下，在直接燃料碰撞时，接地电极27的前端部 突然局部变冷并且受到大的热冲击。
在使用整个外周面都是凸曲的且没有平面区的接地电极 81的情况下，燃料的热冲击矢量很可能由接地电极81的这种弯 曲的周面而集中于一点，如图8B所示。结果，接地电极81经受 晶粒缺陷形成现象(也称为"虫孔现象")，其中一些晶粒归因于 局部突然变冷而从它们的晶界脱落。
相比之下，如第 一实施方式中上面说明的在接地电极27的 前端部的外周面上形成平面区51。即使燃料与接地电极27的前 端部的外周面直接碰撞，平面区51仍防止燃并牛的热冲击矢量如 图8A所示集中到一点。因而，可以防止归因于接地电极27由于燃料局部突然变冷而在接地电极27中发生晶粒缺陷(虫孔现 象)。当平面区51的纵向长度小于0.2mm时，或者当不满足 0.950^ ( S2/L2 ) / ( S1/L1 ) ￡0.995的条件时，平面区51可能 不能产生充分的晶粒缺陷防止效果，很可能因直接燃料碰撞而 在接地电极27中发生晶粒缺陷。当平面区51的纵向长度为 0.2mm以上并同时满足0.950S ( S2/L2 ) / ( S1/L1 ) ￡0.995的 条件时，能够充分并确实地确保平面区51的晶粒缺陷防止效 果。
此外，如上所述，接地电极27的外周面的凸曲区是曲率半 径为0.5mm至lmm的圆弧形式。这允许空气-燃料混合物更容 易而有效地绕*接地电才及27的凸曲区^v外周侧流动到内周侧，并 且到达火花间隙33，以进一步提高发动机点火性和火焰传播特 性。当凸曲区的曲率半径小于0.5mm时，4秦地电才及27的纵轴线 和周面之间的距离太小，使得接地电极27的前端部的温度不会 因周面的热辐射而变得太高。当凸曲区的曲率半径超过1.0mm 时，凸曲区与平面区51之间的差异不够大，使得即使在凸曲区 也不太可能产生燃料的热冲击矢量集中。鉴于以上原因，在凸 曲区的曲率半径小于0.5mm时和凸曲区的曲率半径超过 l.Omm时，本来就不大可能通过直接的燃料碰撞发生晶粒缺陷 形成现象。换言之，在凸曲区的曲率半径为0.5至1.0mm时，平 面区51的晶粒缺陷防止效果才变得明显和明确。
可以通过以下工序制造以上火花塞l。
首先通过制备圆筒柱金属件、通过冷锻形成贯通金属件的 轴向孔、而后切削金属件的外形来制造半成品形式的金属壳3。
另 一 方面，通过制备芯金属材料和带底的圆筒形金属材料、 在圆筒形金属材料中插入芯材料、通过例如使用模具拉长等冷 成型或使用模具挤出和可选择的型锻等使得到的两层杯状材料形成为细棒状、而后将该棒状电极材料切割成给定长度来制造
直圆柱形的接地电极2 7 。
通过例如电阻焊接将制造的直的接地电极2 7结合到金属 壳3的前端面26。焊接后，从金属壳3与接地电极27之间的结合 处除去焊4妻压陷(weld shear drop )。作为可选的可行方案， 在将接地电极27冷成形为细棒状之后，可以将接地电极27焊接 到金属壳3，对接地电极27进行型锻(swage )，随后将接地电 极27切割成给定长度。在这种情况下，能够在保持金属壳3的 情况下，通过将接地电极27从前侧插入锻造机(型锻模)来进 行型锻步骤。这消除了将接地电极2 7的长度设定得较长以确保 在型锻步骤中保持接地电极2 7的 一 部分的麻烦。
通过部件滚轧(component rolling)在金属壳3上的给定 位置形成螺紋部15 。对如此得到的金属壳3和接地电极2 7的子 装配单元(下面简称为"金属壳子装配单元")进行镀锌或镀镍。 为提高耐腐蚀性，可以对该金属壳子装配单元进一步进行铬酸 盐 处理(chromating )。
对接地电4及27的前端部进行切削或压制成形，从而在接地 电极27的前端部的外周面上形成平面区51。作为可选方案，可 以在螺紋部15的部件滚轧之前和在将接地电极2 7焊接到金属 壳3之前或之后进行该切削或压制成形步骤。
然后在使贵金属电极头3 2压靠接地电极2 7的前端部的情 况下，通过激光焊接、电子束焊接或电阻焊接将该贵金属电极 头32结合到接地电极27的前端部。为了可靠地焊接，可以在焊 接步骤之前去除4妻地电极27的前端部的镀层或者在电镀步骤 中掩蔽(mask)接地电极27的前端部。可以对贵金属电极头 32和接地电极27的结合面中的任一者进行任何适当的处理使 得上述结合面彼此适合。可以在下面的装配(弯曲)步骤之后将贵金属电极头3 2焊接到接地电极2 7的前端部。
此外，通过例如制备铝和粘合剂等成颗粒状的粉末混合物、 利用橡胶压机使陶瓷粉末混合物成形为圆筒状、通过研磨成形 陶瓷成型体并在熔炉中烧结该陶瓷成型体来单独制造陶f;绝缘 体2。
还通过锻造镍合金层5B并在镍合金层5B的中央形成铜或 铜合金层5A来单独制造中心电极5。
贵金属电极头31通过激光焊接等被结合到中心电极5的前端部。
陶瓷绝缘体2、具有贵金属电极头31的中心电极5、电阻元 件7和端子电极6被一起装配成一个单元(下面称为"绝缘体子装 配单元")。电阻元件7被插入陶资绝缘体2的通孔4中，而后由 硼硅酸盐玻璃和金属粉末制备玻璃密封材料，将玻璃密封材料 填充到通孔4中，使得电阻元件7位于玻璃密封材料之间。而后， 将中心电极5和端子电极6装配到通孔4的前侧和后侧。在中心 电极5和端子电极6被置于压下的情况下，通过在炉子中烘焙玻 璃密封材料来形成玻璃密封层8和9。此时，可以同时将釉层涂 布到陶瓷绝缘体2的后端部。作为可选方案，可以预先将釉层 涂布到陶瓷绝缘体2的后端部。
通过将金属壳3的相对薄的后端部冷巻边(crimping)或 热巻边到陶瓷绝缘体2上使得金属壳3环绕并且在其中保持陶 瓷绝缘体2来将金属壳和绝缘体子装配单元装配并固定到一 起。
最后，以在贵金属电极头31和3 2之间限定火花间隙3 3的方 式弯曲接地电一及27。
如上所述，通过在接地电极27的外周面上形成平面区51和 凸曲区，火花塞l能够不受空气-燃料混合物的流入方向的影响地确保空气-燃:扦混合物流入火花间隙33以提高发动机点
火性和火焰传播特性，并且即使在燃料与接地电极27的前端部 的外周面直接碰撞时，也防止接地电极2 7中产生晶粒缺陷。
下面将参照图ll至图18说明根据本发明的第二实施方式 的火花塞IOO。除了中心电极5、接地电极27以及贵金属电极头 31和32的位置关系以外，第二实施方式的火花塞100在结构上 类似于第一实施方式的火花塞l。
如图ll和图12所示，以使接地电极27的前端面27s面对贵 金属电极头31的外周面的方式弯曲接地电极27。使贵金属电极 头32的直径小于接地电极27的前端面27s的直径，并且该贵金 属电极头#皮以/人接地电极2 7的前端面2 7 s朝火花塞10 0的轴线 CL1突出的方式焊接到接地电极27的前端面27s的中央，如图 11至图13所示。利用上述结构，在贵金属电极头31的外周面和 贵金属电极头32的末端面之间限定火花间隙33,使得火花塞 100在火花间隙33中大致沿火花塞100的径向(横向)产生火花 放电，以提高发动机点火性和火焰传播特性。尽管在第二实施 方式中贵金属电极头31被结合到中心电极5的前端部，但是不 必需设置贵金属电极头31。在这种情况下，在中心电极5的前 端部的外周面和贵金属电极头32的末端面之间限定火花间隙 33。
但是，在使用没有平面区的圓柱状接地电极81，的情况下， 空气-燃料混合物斜着碰撞接地电极81，的前端部的外周面时， 空气-燃料混合物可能流到接地电极81，的内周面并且不会到 达火花间隙33中的适当的放电点z,如图16B所示。这导致了发 动机点火性的劣化。
在第二实施方式中，平面区51和凸曲区均形成在接地电极 27的外周面上形成。凸曲区允许空气-燃料混合物易于绕凸曲
17区从外周侧流到内周侧，而后流入火花间隙33。此外，平面区 51产生不仅防止燃料的热冲击矢量集中，即使在空气-燃料混 合物斜着碰撞接地电极27的前端部的外周面时也将空气-燃 料混合物引导到火花间隙33中的适当的放电点a,而不会使空 气-燃料混合物流入内周侧的效果，如图16A所示。因而，与 第一实施方式相同，通过在接地电极27的外周面上形成平面区 51和凸曲区，在第二实施方式中可以确保空气-燃料混合物流 入火花间隙3 3并防止燃料直接碰撞接地电极2 7的前端部的外 周面时在接地电极2 7中产生晶粒缺陷。
为了使平面区51更稳定而有效地将空气-燃料混合物引 导到火花间隙33，从而确保确实地提高点火性，优选地是适当 地考虑空气-燃料混合物的流入方向，控制接地电极27的由平 面区51和前端面27s形成的前缘的角度e。尤其优选平面区51 与接地电极27的前端面27s形成的角度e在70度至IOO度的范围 内。在第二实施方式中，平面区51与4妻地电才及27的前端面27s 基本正交(垂直)，通过使平面区51沿火花塞100的径向取向， 接地电极27的前端面27s沿火花塞100的轴向取向，使得平面区 51与接地电极2 7的前端面2 7 s之间的角度0约为9 0度。
为了使平面区51更稳定而有效地将空气-燃料混合物引 导到火花间隙33, 乂人而确保确实地3是高点火性，平面区51优选 地满足以下尺寸条件
AxB^0.2;以及
其中A ( mm)是平面区51在接地电极27的纵向上的纵向 长度，B ( mm)是平面区51的横向宽度，如图14A和14B所示。
为了实现进一步提高点火性并确保贵金属电极头32的耐 久性，优选地，火花塞100满足以下尺寸条件当0.3^D^C/4+0.8时，E^2xD; 当D〈0.3时，E^0.6;以及 F^l.6
其中C ( mm)是火花间隙33在火花塞100的径向上的最小 距离；D ( mm)是连接贵金属电极头31的末端面的前缘和贵 金属电极头32的末端面的前缘的最短线段的中点(在中心电极 5上没有贵金属电极头的情况下，连接中心电极5的前端面的边 缘和贵金属电极头32的末端面的前缘的最短线段的中点)a到 接地电极27的前端部的外周面的在火花塞100的轴向上的距 离；E ( mm )是在火花塞IOO的径向上从中点a到接地电极27 的前端面27s的距离；F ( mm)是贵金属电极头32从接地电极 27的前端面27s突出的长度，如图15所示。通过将贵金属电极 头3 2的突出长度F控制为1.6 m m以下，能够有效地防止贵金属 电极头32的传热性的劣化。在D〈0.3(mm)的情况下，可以 通过满足E^0，6的条件更确定地获得平面区51的上述效果。在 D^0.3(mm)的情况下，可以通过满足E^2xD的条件更确定地 获得平面区51的上述效果。在这种情况下，由于基于式F^1.6 且F二E-C/2式2D-(mm)成立，距离D的上限被设定 为C/4+0.8 ( mm)。
在第二实施方式中可以适当地改变"J秦地电才及2 7的形式。例 如，还可以在4妄地电才及27的前端部的相反侧面上形成平面区52 和53,如图17A所示，从而在空气-燃料混合物斜着流到接地 电极27时，将空气-燃料混合物更稳定地引导到火花间隙33。
致半圆柱状。在接地电极27为具有平坦内表面27f的半圆柱状 的情况下，矩形的贵金属电极头32l可以配置在接地电极27的 平坦内表面27f上或者埋设到接地电极27的平坦内表面27f中，并且通过例如电阻焊接部分与该内表面27f接合，从而从接地电 极27的前端面朝火花塞轴线突出，如图18所示。
将参照以下实施例更详细地说明本发明。然而，应当注意， 以下实施例仅为说明性的，不用于限制本发明。 实验l
通过改变平面区51的纵向长度A、接地电极27的第一横截 面的面积Sl和周长L1 、以及接地电极27的第二一黄截面的面积 S2和周长L2，制造火花塞l的试验样本(作为实施例)。
对各试验样本进行耐久性试验。这里通过将试验样本安装 到2.0L直喷式发动机中，根据公路行驶模拟模式(highway driving simulation pattern )持续驱动发动才几920小时(对应 于大概100,000km的行驶)来进行耐久性试—验。在耐久性试验 之前和之后，通过CT扫描监测4妄地电极27的横截面(/人接地电 极27的前端面27s起的长度达到2mm ),以测量接地电极27的横 截面积。计算耐久性试验之后的接地电才及27的横截面积与耐久 性试验之前的接地电极27的横截面积之比率，用于评价最小横 截面积比率。可以认为，横截面积比率越小，损耗度越大，即 在接地电极27中越有可能发生晶粒缺陷形成现象(虫孔现象)。 试验结果表示在图20中。
除了平面区的纵向长度和接地电极的第一横截面和第二横 截面的面积和周长的条件之外，以相同的方式制造比较火花塞 的试验样本(作为比较例)并进行耐久性试验。试验结果也表 示在图20中。
从图20中可以看出，当A〈0.2mm(例如，A二O.lmm)时 横截面积比率十分小。当A^0.2mm时横截面积比率较大，特别 地，当A^0.2mm且0.9505(S2/L2)/(Sl/Ll)^0.995时，横截面积 比率保持为比较大。
当(S2/L2)/(S1/L1)<0.950或
20(S2/L2)/(S1/L1)〉0.995时，无论A^0.2mm是否成立，横截面积 比率都有所减小。因而，该实验示出通过在A三0.2mm且 0.950S(S2/L2)/(S1/L1)S0.995的条件下在接地电极27上形成 平面区51，能够有效地防止接地电极27中发生晶粒缺陷形成现 象。
此外，对各试验样本进行归因于横截面积比率减小而发生 提前点火的可能性的试验。通过将试验样本安装到2.0L六缸发 动机中，持续地以全速驱动发动机并且才全测在发生^是前点火时 的点火正时(。CA)来进行该试验。当晶粒缺陷形成现象发生 (即，横截面积比率减小)时，晶粒缺陷的边缘变尖。这些变 尖的边缘可能会积累热量，从而温度变高，使得在给定的点火 正时之前从上述变尖的边缘开始发生点火燃烧。因而可以认为， 耐提前点火性(preignition resistance ) F遺着牙黄截面禾只比率的 变小而减小。试验结果表示在图21中。
从图21中可以看出，当横截面积比率大于或等于0.995时， 发生提前点火的点火正时保持在BTDC(上止点前，Before Top Dead Center ) 33度(对应于全速负载)。然而，当横截面积比 率小于0.995时，发生提前点火的点火正时被延迟(retard) 了 。 即，当横截面积比率小于0.995时，即使在更适度的条件下也会 发生提前点火。这示出通过满足A^0.2mm且 0.950^(S2/L2)/(S1/L1)S0.995的条件，当接地电极27的横截面 积比率变得大于或等于0.995时，能够防止耐提前点火性劣化。 实验2
通过在将平面区51的纵向长度A固定为0.3mm的同时将接 地电极27的半径R (接地电极27的外周面的曲率半径)变为 0.4mm、 0.5mm、 0.8mm、 l.Omm和l.lmm， 制造火花塞l的 试验样本(作为实施例)并以与实验l相同的方式进行耐久性试验。除了接地电极的第 一横截面和第二横截面的面积和周长 的条件之外，也以相同的方式制造比较火花塞的试验样本(作
为比较例)并进行耐久性试验。试验结果表示在图22中。
从图22中可以看出，当0.5mm^R^1.0mm且 0.950^(S2/L2)/(S1/L1)^0.995时，防止了横截面积比率减小。 确 定 了 通 过 满 足 0.5mm￡R$1.0mm 且 0.950S(S2/L2)/(S 1/L1)S0.995的条件能够更有效地防止接地 电极27中发生晶粒缺陷形成(虫孑L现象)。无论 0.950^(S2/L2)/(S1/L1)^0.995是否成立，当R〈0.5mm时和 R〉1.0mm时，横截面积比率都不会减小或减小较少。这引起了 设想当R〈0.5mm时，接地电极27的纵轴和外周面之间的距离 太小以致于接地电极27的前端部的温度不会由其周面的热辐 射而变得过高；当R〉1.0mm时，凸曲区与平面区51之间的差异 不会大到使燃料的热沖击矢量集中，即使是在凸曲区。可以认 定，当R〈0.5mm时和R〉1.0mm时，晶粒缺陷本来就不太可能 发生，所以形成平面区51以满足0.950S(S2/L2)/(S1/L1)^0.995 的条件的意义不大。 实验3
制造火花塞100的试验样本(作为实施例)。在试验样本中， 接地电极27的横截面为直径1.6mm的圆形。在接地电极27的前 端部的外周面上形成纵向长度A为l.Omm、横向宽度B为 0.4mm的平面区51 。 此外，试验样本的尺寸被控制为 C=0.9mm、 D=0.425mmiLE=1.45mm。
对试验样本进行点火性试验。通过在初始室压为lMPa、 燃料喷射压强为20MPa且空气-燃料比(A/F)为25的条件下， 将试验样本置于具有压力传感器的压力室中、以各种角度朝试 验样本喷射汽油(作为燃料)并检测点火的发生来进行点火性试验。喷射角为-15度、0度和20度时的燃料喷射模型分别示出 在图23A、 23B和23C中。基于压力传感器的波形判断点火的发 生。当重复试验30次时，将点火发生的次数确定为点火率。试 验结果表示在图24中。
除比较试验样本的接地电极没有平面区且直径为 D二0.45mm外，以相同的方式制造比较火花塞的试验样本(作 为比较例)并以相同的方式进行点火性试验。试^r结果也表示 在图24中。
从图24可以看出，当燃料喷射角为-20度到10度时，比较 例的点火率劣化。另一方面，即使在燃料喷射角为-20度到10 度时，实施例中的点火率劣化也不大。实施例的点火率比比较 例的点火率高很多。在燃料喷射角为-10度时，观察到实施例 和比较例之间的点火率差异最大。因而，这示出通过在接地电 极27上形成平面区51,即使燃料喷射角为-20至10度，也能够 显著地提高发动机点火性。 实验4
通过改变平面区51的纵向长度A和横向宽度B制造火花塞 IOO的试验样本。与以实验3相同的方式在燃料点火角为-IO度 时对各试验样本的点火率进行试验。试验结果表示在图2 5中。
从图25可以看出，当B〈0.2mm时，无^仑A^0.2mm是否成 立，点火率都比较低。当平面区51的表面积AxB小于0.2mm2 时，点火率也比较低。该实验示出通过满足AxB^0.2mm2且 B^0.2mm的条件能够确保得到平面区51的效果。 实验5
通过改变贵金属电极头32的突出长度F制造火花塞100的 试验样本。对各试验样本进行耐久性试验以评价归因于贵金属 电极头32损耗的火花间隙33的增加量。通过将试验样本安装到
232.0L六缸发动才凡中，在5000rpm (全负荷)下持续驱动发动机 10 0小时并在试验期间测量火花间隙3 3的增加量来进行耐久性 试验。试验结果表示在图26中。
从图26可以看出，当F〉1.6mm时，贵金属电极头32的损 耗量显著增加，使得间隙增加量超出其消耗极限2.0mm。因而 确定了传热性随着贵金属电极头32的突出长度F (长度尺寸) 的增加而变得不足。 实验6
通过改变接地电极2 7的尺寸D和E来制造火花塞10 0的试 验样本。在试验样本中，将平面区51的纵向长度A和横向宽度B 分别控制为1.0mm和0.4mm。以与实马全3相同的方式，在燃料 点火角为-10度时对各试验样本进行点火率试验。试验结果表 示在图27中。
从图27可以看出，当D〈0.3mm或E^0.6mm时以及当 D^0.3mm且E^2xDmm时，点火率高。考虑到以下事实基于 式F^1.6且F二E-C/2,式2D-C/2^1.6,即D^C/4+0.8成立，将 距离D的上限设定为C/4+0.8。确定了通过满足D〈0.3mm且 E^0.6mm的条件或通过满足0.3^DsC/4+0.8mm且E^2xDmm 的条件，能够确保得到平面区51的效果。
第2007—327314号曰本专利申"i青(于2007年12月19曰递 交)和第2007—336219号曰本专利申"i青(于2007年12月27曰递 交)的全部内容通过引用包含于此。
虽然已参照上面的特定实施方式说明了本发明，但是本发 明不限于典型实施方式。对于所属技术领域的技术人员，根据 以上教导可以产生对上述实施方式的各种变型和改变。
例如，虽然以上实施方式中火花塞l、 IOO具有单个接地电 极27，但作为可选方案，火花塞l、 IOO可以设置两个以上接地电极27。
中心电极5和接地电极27不限于上述两层结构。中心电极5 和接地电极27均可以具有三层或更多层的多层结构。在这种情 况下，优选地内电极层的金属材料表现出的导热性高于外电极 层的金属材料的导热性，以有效地传热。例如，中心电极5和 接地电极27可以形成为具有包括纯镍的内层、纯铜或铜合金的 中间层和镍的外层等的三层结构。作为可选方案，中心电极5 和接地电极2 7均可以具有例如镍的单层结构。
只要平面区51能够将空气-燃料混合物引导到火花间隙 33且不引起燃料的热冲击矢量集中，平面区51可以不是严格的 平面，而是近似平面且稍-欽凹入。此外，平面区51的形状不限 于矩形。接地电极27可以具有除了矩形以外的任意形状的平面 区151，如图19所示。在这种情况下，平面区151的纵向长度A 被定义为沿接地电极27的纵向从接地电极27的前端面27s到平 面区151的离接地电极27的前端面27s最远的一点的长度；平面 区151的横向宽度B被定义为沿接地电极27的前端面27s的宽 度。
参照权利要求书限定本发明的范围。
权利要求
1. 一种内燃机用火花塞，其包括圆筒状金属壳，该金属壳沿所述火花塞的轴线方向配置；圆筒状绝缘体，该绝缘体被保持在所述金属壳中；柱状中心电极，该中心电极被布置在所述绝缘体中并且该中心电极的前端部从所述绝缘体突出；以及接地电极，该接地电极在其后端部结合到所述金属壳的前端部并且以如下方式弯曲使所述接地电极的前端部朝向所述火花塞的轴线延伸，以在所述中心电极的所述前端部和所述接地电极的所述前端部之间限定火花间隙，所述接地电极包括在其外周面上形成的平面区，该外周面与面对所述绝缘体的内周面相反，所述平面区位于所述接地电极的所述前端部上，并且在所述接地电极的纵向上从所述接地电极的前端面起的长度为0.2mm以上，所述接地电极的所述外周面的除所述平面区以外的任何区域均是凸曲面，关于沿垂直于所述接地电极的所述纵向的方向穿过除所述平面区以外的所述任何区域的所述接地电极的第一横截面和沿垂直于所述接地电极的所述纵向的方向穿过所述平面区的所述接地电极的第二横截面，所述接地电极满足以下尺寸条件(1)，0. 950≤(S2/L2)/(S1/L1)≤0.995 (1)其中，S1是所述第一横截面的面积；L1是所述第一横截面的周长；S2是所述第二横截面的面积；L2是所述第二横截面的周长。
2. 根据权利要求l所述的火花塞，其特征在于，除所述平面区以外的所述任何区域都形成为曲率半径为0.5mm至l.Omm的圓弧状。
3. 根据权利要求l所述的火花塞，其特征在于，还包括贵金属电极头，该贵金属电极头布置在所述接地电极的所述前端面上并朝所述火花塞的轴线突出，从而在所述贵金属电极头的末端面和所述中心电极的所述前端部的外周面之间限定火花间隙，其中，所述平面区相对于所述接地电才及的所述前端面形成70度至100度的角度。
4. 根据权利要求3所迷的火花塞，其特征在于，所述平面区满足以下尺寸条件(2)和(3):AxB^0.2 (2);以及(3)其中，A(mm)是所述平面区沿所述接地电极的纵向的长度，B ( mm)是所述平面区沿垂直于所述接地电极的纵向的方向的宽度。
5. 根据权利要求3所述的火花塞，其特征在于，所述火花塞满足以下尺寸条件(4)、 (5)和(6):当0.3sDsC/4+0.8时，E>2xD (4);当D〈0.3时，E^0.6 (5);以及(6)其中，C( mm)是所述火花间隙的最小径向尺寸；D(mm)是从连接所述贵金属电极头的所述末端面的前缘和所述中心电极的所述前端部的前缘的最短线段的中点到所述接地电极的所述前端部的所述外周面的轴向距离；E ( mm)是从所述中点到所述接地电极的所述前端面的径向距离；F ( mm)是所述贵金属电极头从所述接地电极的所述前端面突出的长度。
全文摘要
一种内燃机用火花塞，包括在外周面上形成有平面区和凸曲区的接地电极。该平面区位于接地电极的前端部，并且在接地电极的纵向上从接地电极的前端面起的长度为0.2mm以上。关于沿垂直于接地电极的纵向的方向穿过凸曲区和平面区的第一横截面和第二横截面，接地电极满足以下尺寸条件(1)0.950≤(S2/L2)/(S1/L1)≤0.995(1)，其中，S1是第一横截面的面积；L1是第一横截面的周长；S2是第二横截面的面积；L2是第二横截面的周长。
文档编号H01T13/20GK101465520SQ20081018586
公开日2009年6月24日 申请日期2008年12月18日 优先权日2007年12月19日
发明者中山胜稔, 加藤友聪, 龟田裕之 申请人:日本特殊陶业株式会社