內燃機用火花塞的制作方法

專利名稱：內燃機用火花塞的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用在內燃機中的火花塞。以下，術語"前" 表示火花塞的軸向的火花放電側，術語"后"表示與前側相反
背景技術：
內燃機用火花塞包括沿火花塞的軸向延伸的中心電極； 繞中心電極布置的絕緣體；繞陶瓷絕緣體布置的金屬殼；以及 在后端部結合到金屬殼的前端部的接地電極。通常，接地電極 的橫截面呈大致矩形，并且以使接地電極的前端部面對中心電 極的前端部的方式彎曲，以在中心電才及的前端部和接地電極的 前端部之間限定火花間隙。在一些情況下，貴金屬合金的電極
頭(貴金屬電極頭)可以結合到中心電極的前端部和接地電極 的前端部以提高耐火花損耗性(spark wear resistance )。
當火花塞在可引起空氣-燃料混合物與接地電極的外(背) 表面碰撞的位置被安裝到發動機的氣缸蓋上時，接地電極可能 防礙空氣-燃料混合物流入火花間隙。這導致發動機點火性的 改變。
為了防止這種點火性的改變，日本特開平11-121142號公 報提出了一種具有兩個或更多個接地電極的火花塞，其中各接 地電極的橫截面均基本上為圓形(即，形狀基本上為圓柱狀)， 即使在火花塞位于使空氣_燃料混合物與接地電極的外周面碰 撞的位置時，仍允許空氣-燃料混合物易于流到接地電極的內 周側，而后流到火花間隙。

發明內容
近年來，隨著的增壓器和可變閥系統的各種組合已經開發 出了高壓縮率、高輸出的發動機。也開發出了具有直接向氣缸 中的高度壓縮的空氣噴射燃料的噴射器的所謂噴引式直噴式發
動機(spray-guide direct-injection engine )。 這些發動機趨 于達到十分高的氣缸溫度。可以想象，在這種高溫發動機條件 下，通過直接噴射燃料，相對低溫的燃料將直接碰撞暴露于高 溫下的接地電極。在這種情況下，接地電極被燃料驟然冷卻， 從而可能遭受晶粒缺陷形成現象(也稱為"蟲孔(wormhole) 現象")，在該現象中， 一些晶粒從晶界脫落。晶體缺陷形成現 象更可能在圓柱形的接地電極的情況下發生。
因此，本發明的一個目的在于提供一種內燃機用火花塞， 其能夠在燃料直接噴射的情況下保護接地電極不發生晶粒缺陷 形成的同時，不受空氣-燃料混合物的流入方向的影響地確保 發動機點火性的改善。
根據本發明的一個方面，提供一種內燃機用火花塞，其包 括圓筒狀金屬殼，該金屬殼沿所述火花塞的軸線方向配置； 圓筒狀絕緣體，該絕緣體被保持在所述金屬殼中；柱狀中心電 極，該中心電極4皮布置在所述絕緣體中并且該中心電極的前端 部從所述絕緣體突出；以及接地電4及，該接地電極在其后端部 結合到所述金屬殼的前端部并且以如下方式彎曲使所述接地 電極的前端部朝向所述火花塞的軸線延伸，以在所述中心電極 的所述前端部和所述4妄地電極的所述前端部之間限定火花間 隙，所述接地電極包括在其外周面上形成的平面區，該外周面 與面對所述絕緣體的內周面相反，所述平面區位于所述4妻地電 極的所述前端部上，并且在所述纟秦地電纟及的縱向上,人所述接地 電極的前端面起的長度為0.2mm以上，所述接地電才及的所述外周面的除所述平面區以外的任何區域均是凸曲面，關于沿垂直
述任何區域的所述接地電極的第 一橫截面和沿垂直于所述接地 電極的所述縱向的方向穿過所迷平面區的所述接地電極的第二
橫截面，所述接地電極滿足以下尺寸條件(1 ): 0.950S(S2/L2)/(S1/L1) ( 1 ),其中，Sl是所述第一
橫截面的面積；Ll是所述第一橫截面的周長；S2是所述第二橫 截面的面積；L2是所述第二橫截面的周長。
從以下說明中可以理解本發明的其他目的和特征。


圖l是根據本發明的第 一 實施方式的火花塞的部分剖視圖。
圖2是根據本發明的第 一 實施方式的火花塞的前端部的放 大剖視圖。
圖3是根據本發明的第 一 實施方式的火花塞的前端部的側 視圖。
圖4是根據本發明的第 一 實施方式的火花塞的前端部的俯 視圖。
圖5是根據本發明的第 一 實施方式的火花塞的接地電極的 立體圖。
圖6是根據本發明的第 一 實施方式的火花塞的接地電極的 側-現圖。
圖7A是沿圖6的J-J線截取的接地電極的剖面圖。 圖7 B是沿圖6的K - K線截取的接地電極的剖視圖。 圖8A是示出燃料與根據本發明的第 一 實施方式的接地電 極直接石並撞的4幾理的示意圖。機理的示意圖。
圖9A、 9B和9C是示出根據本發明的第一實施方式的接地 電極的變型的橫截面形狀的示意圖。
圖9D是示出超出本發明的范圍的接地電極的橫截面形狀 的示意圖。
圖IO是根據本發明的第 一 實施方式的火花塞的前端部的 變型的放大剖視圖。
圖ll是根據本發明的第二實施方式的火花塞的局部剖視圖。
圖12是根據本發明的第二實施方式的火花塞的前端部的 放大剖視圖。
圖13是根據本發明的第二實施方式的火花塞的接地電極 的立體圖。
圖14A是根據本發明的第二實施方式的火花塞的接地電極 的俯視圖。
圖14B是根據本發明的第二實施方式的火花塞的接地電極 的端視圖。
圖15是示出根據本發明的第二實施方式的火花塞的前端 部的尺寸結構的示意圖。
圖16A是示出空氣-燃料混合物流到并繞過根據本發明的 第二實施方式的接地電極的示意圖。
圖16B是示出空氣-燃料混合物流到并繞過根據現有技術 的接地電極的示意圖。
圖17A是根據本發明的第一或第二實施方式的接地電極的 變型的端視圖。
圖17B是根據本發明的第 一 或第二實施方式的接地電極的另 一實施例的立體圖。
圖18是根據本發明的第一或第二實施方式的接地電極的 再一實施例的立體圖。
圖19是根據本發明的第 一 或第二實施方式的接地電極的 還一實施例的俯一見圖。
圖2 0是示出實驗1中耐久性試驗的結果的圖。
圖21是示出實驗l中點火正時與橫截面積比率之間的關系 的圖。
圖22是示出實驗2中耐久性試驗的結果的圖。 圖23A、23B和23C是示出實驗3中的燃料噴射角的示意圖。 圖24是示出實驗3中的點火性評價結果的圖。 圖25是示出實驗4中的點火性評價結果的圖。 圖26是示出實驗5中耐久性試驗的結果的圖。 圖2 7是示出實驗6中的點火性評價結果的圖。
具體實施例方式
下面將通過以下實施方式詳細說明本發明，其中，用同樣 的附圖標記標出相同的部件和部分以省略對這些相同的部件和 部分的重復說明。
下面首先參照圖l至圖IO說明根據本發明的第 一實施方式 的內燃機用火花塞l。
參照圖1和圖2，火花塞l包括陶瓷絕緣體2、金屬殼3、具 有貴金屬電極頭31的中心電極5、端子電極6、具有貴金屬電極 頭32的接地電4及27、以及電阻元件7。
陶瓷絕緣體2形成為大致圓筒形，具有沿火花塞l的軸線 CL1方向(以下簡稱為"軸向")延伸的通孔4，并且由例如燒結 氧化鋁等燒結陶瓷材料制成。如圖1所示，陶瓷絕緣體2包括
8在陶瓷絕緣體2的大約軸向中央位置徑向向外突出的凸緣部 11;位于凸緣部11的前側的主體部12,該主體部12的直徑小于 凸緣部ll的直徑；以及位于主體部12的前側的腿部13，該腿部 13的直徑小于主體部12的直徑。在陶瓷絕緣體2的外周面上、 主體部12與腿部13之間的位置處形成臺階部14。
金屬殼3形成為例如鐵基材料或不銹鋼(例如低碳鋼S15C、 S25C等)等金屬材料的圓筒形，并且金屬殼3繞陶瓷絕緣體2 的外周面沿火花塞l的軸向配置，從而在其中保持陶瓷絕緣體2 的凸緣部ll、主體部12和腿部13。通常，如圖l所示，金屬殼3 包括陽螺紋部15、在螺紋部15的后側徑向向外突出的凸緣部 16、以及位于凸緣部16的后側的工具接合部19。螺紋部15被旋 擰到發動機的氣缸蓋(cylinder head )的塞孔中，從而以使陶 瓷絕緣體2的腿部13暴露到發動機的燃燒室的方式將火花塞l 安裝到發動機氣缸蓋上。凸緣部16坐落在發動機氣缸蓋上。密 封墊(gasket) 18被裝配在螺紋部15的螺紋頸端(thread neck end) 17上，并且介于凸緣部16和發動機氣缸蓋之間。工具接 合部19成形為六角形橫截面形狀，用于與例如扳手等工具接合 以便將螺紋部15旋擰到發動機氣缸蓋的塞孔中。此外，在金屬 殼3的內周面形成有臺階部21，使得陶瓷絕緣體2的臺階部14 與金屬殼3的臺階部21接合。金屬殼3在其后端部20處彎曲
(swage)到陶資絕緣體2上， 一對環狀構件23和24介于陶瓷 絕緣體2和金屬殼3之間并且在環狀構件23和24之間填充滑石 粉25,以保持陶資絕緣體2并確保陶瓷絕緣體2與金屬殼3之間 的氣密性。為了密封燃燒室并防止燃燒氣體從陶瓷絕緣體2的 腿部13和金屬殼3的內周面之間泄漏，將環狀板片密封墊
(annular plate packing) 22置于陶乾纟色纟彖體2的臺階部14和 金屬殼3的臺階部21之間。以該方式，通過使陶瓷絕緣體2的臺階部14接合在金屬殼3的臺階部21上并將金屬殼3的后端部20 彎曲到陶瓷絕緣體2上，陶資絕緣體2經由密封墊22、環狀構件 23和24以及滑石粉25被固定在金屬殼3中。
中心電極5通常形成為圓柱(棒)狀，并以使中心電極5的 前端部>夂人陶瓷絕l彖體2的前端部突出并朝中心電才及5的平坦端 面直徑逐漸減小的方式裝配在陶瓷絕緣體2的通孔4的前側。在 第一實施方式中，中心電極5的主體具有純銅或銅合金的內層 5A以及鎳合金外層5B,以用于高效地進行熱傳導。
貴金屬電極頭31形成例如銥合金等貴金屬合金的圓柱狀， 并且通過焊接結合到中心電極5的前端面以便改善耐火花損耗 性。可以用例如激光焊接或電子束焊接等任何焊接技術進行焊 接，從而在貴金屬電極頭31和中心電極5之間形成熔接部41, 如圖l和圖2所示。
端子電極6被以使端子電極6的后端部從陶t;絕緣體2的后 端部突出的方式裝配到陶瓷絕緣體2的通孔4的后側。
電阻元件7被布置在陶資絕緣體2的軸向通孔4中、中心電 極5與端子電才及6之間，并且電阻元件7的前端部和后端部分別 經由導電玻璃密封層8和9電連接到中心電極5和端子電極6。
接地電極27在其后端部被結合到金屬殼3的前端面26，并 且接地電極2 7以使接地電極2 7的前端部指向火花塞的軸線 CL1并基本上面對中心電極5的前端部(貴金屬電極頭31)的 方式被彎曲大約90度的角度。即，接地電才及27的前端部沿火花 塞1的徑向延伸并且基本上面對中心電極5的前端部(貴金屬電 極頭31),而接地電纟及27的后端部沿火花塞1的軸向延伸(即， 平行于火花塞的軸線CL1 )。優選地，接地電極27的主體具有純 銅或銅合金的內層27A以及鎳合金的外層27B，在第一實施方 式中可使用例如I訓nel 600 (商標)或In函el 601 (商標)的鎳合金。由于銅或銅合金的導熱性比鎳合金的導熱性高，形
成這種內層27A能夠有效地從接地電極27的內部傳熱。
貴金屬電極頭32形成為例如含有20 %質量百分數的銠的 鉑合金等貴金屬合金的圓柱狀并通過焊接接合到接地電極27 的前端部，以改善耐火花損耗性。可以用任何焊接技術進行焊 接，例如激光焊接、電子束焊接或電阻焊接，以便在貴金屬電 極頭32和接地電極27之間形成熔接部42,如圖l和圖2所示。
利用上述結構，在中心電極5的前端部和接地電極27的前 端部之間、更具體地為在貴金屬電極頭31和32的相對端面之間 限定了火花間隙33,以使火花塞l在火花間隙33中大致沿火花 塞l的軸向產生火花放電。
盡管在第一實施方式中在各個電極5和27上設置了貴金屬 電極頭31和32，但這些貴金屬電極頭31和32不是必須的。例如， 如圖10所示，可以僅在中心電極5上設置貴金屬電極頭31,而 不在接地電極27上設置貴金屬電極頭。在這種情況下，火花間 隙33被限定在貴金屬電極頭31和接地電極27的前端部之間。作 為可選方案，可以僅在接地電極27上設置貴金屬電極頭32，而 不在中心電極5上設置貴金屬電極頭。在這種情況下，火花間 隙33被限定在中心電極5的前端部和貴金屬電極頭32之間。可 以在中心電極5和接地電極27上均不設置貴金屬電極頭31和 32。在這種情況下，火花間隙33^:限定在中心電才及5的前端部 和接地電極27的前端部之間。
貴金屬電極頭31和32的材料不限于上述。其他任意貴金屬 合金也能夠用作貴金屬電極頭31和32的材料。各圓柱形貴金屬 電極頭31和32可以通過例如以下步驟獲得制備貴金屬坯料 (ingot)、在貴金屬坯料中加入合金、使得到的熔化合金形成 為坯料、對合金坯料進行熱鍛和/或熱軋(槽軋，grooved
iirolling )、將合金坯料拉長成棒狀而后將合金坯料切斷成規定 的長度。
這里，第一實施方式的火花塞1的特征在于接地電極27具 有基本上為圓形的橫截面，并且在接地電極27的外周面上形成 有平面區51，該平面區51與接地電極27的面對中心電極5 (陶 瓷絕緣體2)的內周面相反，并且在從外側觀察接地電極27時 被直觀辨識，如圖3、 4和5所示。接地電極27的外表面的除平 面區51外的任何區域都彎曲成凸狀，更具體地為圓弧狀，曲率 半徑為0.5mm-1.0mm (下面稱作"凸曲區")。
平面區51位于接地電極27的前端部，其為矩形，從接地電 極27的前端面27s沿接地電極27的縱軸線方向的長度為0.2mm 以上(下面有時會稱作"縱向長度")并且在與接地電極27的縱 向垂直的橫向上的給定寬度(下面有時會稱作"橫向寬度")例 如為0.4mm至1.2mm,優選》也為0.5mm至l.Omm,更4尤選i也為 0.6mm至0.7mm。不具體限制形成平面區的方法。平面區51可 以通過例如切除或壓力加工接地電極2 7的前端部的外周面的 給定部分形成。
此外，接地電極27滿足以下尺寸條件 ( S2/L2 ) / ( S1/L1 ) SO.995
其中沿與^t妄地電才及27的縱向垂直的方向穿過凸曲區(例 如，沿圖6的J-J線穿過接地電極27的后端部)截取接地電極27 的第一橫截面，沿與接地電極27的縱向垂直的方向穿過平面區 51 (例如，沿圖6的K-K線穿過接地電極27的前端部)截取接 地電極27的第二橫截面，其中，Sl是第一橫截面的面積；Ll 是第一橫截面的周長；S2是第二橫截面的面積；L2是第二橫截 面的周長。
接地電極27的形式不限于上述。對接地電極27的形式沒有具體的限制，只要在接地電極27的外周面制成的平面區51與凸 曲區都滿足尺寸條件0.950S ( S2/L2 ) / ( S1/L1 ) ￡0.995即可。 可以對4妄地電才及27進行多種變型。例如，可以以下面的方式變 型接地電極27:使接地電極27的除平面區51外的外周面具有圓 弧狀的橫截面輪廓，而接地電極27的內周面具有平坦的(直的) 橫截面^^廓，并且在接地電極27的相反側面上形成或者不形成 平面區，如圖9A、 9B和9C所示。然而，將接地電極27變型為 如圖9D所示的圓角矩形截面是不實用的，因為除了外圓角外，
為是凸曲區。
當火花塞l進入使燃料和空氣直接與接地電極27的外周 (背)面碰撞的位置時，空氣-燃料混合物易于繞接地電極27 的凸曲區從外周側流到內周側。因而，可以確保空氣-燃料混 合物流入火花間隙33,改善發動機點火性和火焰傳播特性。
然而可以想到，當接地電極27的前端部溫度達到最高時， 溫度相對較低的燃料將直接碰撞接地電才及2 7的前端部的外周 面。在這種情況下，在直接燃料碰撞時，接地電極27的前端部 突然局部變冷并且受到大的熱沖擊。
在使用整個外周面都是凸曲的且沒有平面區的接地電極 81的情況下，燃料的熱沖擊矢量很可能由接地電極81的這種彎 曲的周面而集中于一點，如圖8B所示。結果，接地電極81經受 晶粒缺陷形成現象(也稱為"蟲孔現象")，其中一些晶粒歸因于 局部突然變冷而從它們的晶界脫落。
相比之下，如第 一實施方式中上面說明的在接地電極27的 前端部的外周面上形成平面區51。即使燃料與接地電極27的前 端部的外周面直接碰撞，平面區51仍防止燃并牛的熱沖擊矢量如 圖8A所示集中到一點。因而，可以防止歸因于接地電極27由于燃料局部突然變冷而在接地電極27中發生晶粒缺陷(蟲孔現 象)。當平面區51的縱向長度小于0.2mm時，或者當不滿足 0.950^ ( S2/L2 ) / ( S1/L1 ) ￡0.995的條件時，平面區51可能 不能產生充分的晶粒缺陷防止效果，很可能因直接燃料碰撞而 在接地電極27中發生晶粒缺陷。當平面區51的縱向長度為 0.2mm以上并同時滿足0.950S ( S2/L2 ) / ( S1/L1 ) ￡0.995的 條件時，能夠充分并確實地確保平面區51的晶粒缺陷防止效 果。
此外，如上所述，接地電極27的外周面的凸曲區是曲率半 徑為0.5mm至lmm的圓弧形式。這允許空氣-燃料混合物更容 易而有效地繞*接地電才及27的凸曲區^v外周側流動到內周側，并 且到達火花間隙33，以進一步提高發動機點火性和火焰傳播特 性。當凸曲區的曲率半徑小于0.5mm時，4秦地電才及27的縱軸線 和周面之間的距離太小，使得接地電極27的前端部的溫度不會 因周面的熱輻射而變得太高。當凸曲區的曲率半徑超過1.0mm 時，凸曲區與平面區51之間的差異不夠大，使得即使在凸曲區 也不太可能產生燃料的熱沖擊矢量集中。鑒于以上原因，在凸 曲區的曲率半徑小于0.5mm時和凸曲區的曲率半徑超過 l.Omm時，本來就不大可能通過直接的燃料碰撞發生晶粒缺陷 形成現象。換言之，在凸曲區的曲率半徑為0.5至1.0mm時，平 面區51的晶粒缺陷防止效果才變得明顯和明確。
可以通過以下工序制造以上火花塞l。
首先通過制備圓筒柱金屬件、通過冷鍛形成貫通金屬件的 軸向孔、而后切削金屬件的外形來制造半成品形式的金屬殼3。
另 一 方面，通過制備芯金屬材料和帶底的圓筒形金屬材料、 在圓筒形金屬材料中插入芯材料、通過例如使用模具拉長等冷 成型或使用模具擠出和可選擇的型鍛等使得到的兩層杯狀材料形成為細棒狀、而后將該棒狀電極材料切割成給定長度來制造
直圓柱形的接地電極2 7 。
通過例如電阻焊接將制造的直的接地電極2 7結合到金屬 殼3的前端面26。焊接后，從金屬殼3與接地電極27之間的結合 處除去焊4妻壓陷(weld shear drop )。作為可選的可行方案， 在將接地電極27冷成形為細棒狀之后，可以將接地電極27焊接 到金屬殼3，對接地電極27進行型鍛(swage )，隨后將接地電 極27切割成給定長度。在這種情況下，能夠在保持金屬殼3的 情況下，通過將接地電極27從前側插入鍛造機(型鍛模)來進 行型鍛步驟。這消除了將接地電極2 7的長度設定得較長以確保 在型鍛步驟中保持接地電極2 7的 一 部分的麻煩。
通過部件滾軋(component rolling)在金屬殼3上的給定 位置形成螺紋部15 。對如此得到的金屬殼3和接地電極2 7的子 裝配單元(下面簡稱為"金屬殼子裝配單元")進行鍍鋅或鍍鎳。 為提高耐腐蝕性，可以對該金屬殼子裝配單元進一步進行鉻酸 鹽 處理(chromating )。
對接地電4及27的前端部進行切削或壓制成形，從而在接地 電極27的前端部的外周面上形成平面區51。作為可選方案，可 以在螺紋部15的部件滾軋之前和在將接地電極2 7焊接到金屬 殼3之前或之后進行該切削或壓制成形步驟。
然后在使貴金屬電極頭3 2壓靠接地電極2 7的前端部的情 況下，通過激光焊接、電子束焊接或電阻焊接將該貴金屬電極 頭32結合到接地電極27的前端部。為了可靠地焊接，可以在焊 接步驟之前去除4妻地電極27的前端部的鍍層或者在電鍍步驟 中掩蔽(mask)接地電極27的前端部。可以對貴金屬電極頭 32和接地電極27的結合面中的任一者進行任何適當的處理使 得上述結合面彼此適合。可以在下面的裝配(彎曲)步驟之后將貴金屬電極頭3 2焊接到接地電極2 7的前端部。
此外，通過例如制備鋁和粘合劑等成顆粒狀的粉末混合物、 利用橡膠壓機使陶瓷粉末混合物成形為圓筒狀、通過研磨成形 陶瓷成型體并在熔爐中燒結該陶瓷成型體來單獨制造陶f;絕緣 體2。
還通過鍛造鎳合金層5B并在鎳合金層5B的中央形成銅或 銅合金層5A來單獨制造中心電極5。
貴金屬電極頭31通過激光焊接等被結合到中心電極5的前端部。
陶瓷絕緣體2、具有貴金屬電極頭31的中心電極5、電阻元 件7和端子電極6被一起裝配成一個單元(下面稱為"絕緣體子裝 配單元")。電阻元件7被插入陶資絕緣體2的通孔4中，而后由 硼硅酸鹽玻璃和金屬粉末制備玻璃密封材料，將玻璃密封材料 填充到通孔4中，使得電阻元件7位于玻璃密封材料之間。而后， 將中心電極5和端子電極6裝配到通孔4的前側和后側。在中心 電極5和端子電極6被置于壓下的情況下，通過在爐子中烘焙玻 璃密封材料來形成玻璃密封層8和9。此時，可以同時將釉層涂 布到陶瓷絕緣體2的后端部。作為可選方案，可以預先將釉層 涂布到陶瓷絕緣體2的后端部。
通過將金屬殼3的相對薄的后端部冷巻邊(crimping)或 熱巻邊到陶瓷絕緣體2上使得金屬殼3環繞并且在其中保持陶 瓷絕緣體2來將金屬殼和絕緣體子裝配單元裝配并固定到一 起。
最后，以在貴金屬電極頭31和3 2之間限定火花間隙3 3的方 式彎曲接地電一及27。
如上所述，通過在接地電極27的外周面上形成平面區51和 凸曲區，火花塞l能夠不受空氣-燃料混合物的流入方向的影響地確保空氣-燃:扦混合物流入火花間隙33以提高發動機點
火性和火焰傳播特性，并且即使在燃料與接地電極27的前端部 的外周面直接碰撞時，也防止接地電極2 7中產生晶粒缺陷。
下面將參照圖ll至圖18說明根據本發明的第二實施方式 的火花塞IOO。除了中心電極5、接地電極27以及貴金屬電極頭 31和32的位置關系以外，第二實施方式的火花塞100在結構上 類似于第一實施方式的火花塞l。
如圖ll和圖12所示，以使接地電極27的前端面27s面對貴 金屬電極頭31的外周面的方式彎曲接地電極27。使貴金屬電極 頭32的直徑小于接地電極27的前端面27s的直徑，并且該貴金 屬電極頭#皮以/人接地電極2 7的前端面2 7 s朝火花塞10 0的軸線 CL1突出的方式焊接到接地電極27的前端面27s的中央，如圖 11至圖13所示。利用上述結構，在貴金屬電極頭31的外周面和 貴金屬電極頭32的末端面之間限定火花間隙33,使得火花塞 100在火花間隙33中大致沿火花塞100的徑向(橫向)產生火花 放電，以提高發動機點火性和火焰傳播特性。盡管在第二實施 方式中貴金屬電極頭31被結合到中心電極5的前端部，但是不 必需設置貴金屬電極頭31。在這種情況下，在中心電極5的前 端部的外周面和貴金屬電極頭32的末端面之間限定火花間隙 33。
但是，在使用沒有平面區的圓柱狀接地電極81，的情況下， 空氣-燃料混合物斜著碰撞接地電極81，的前端部的外周面時， 空氣-燃料混合物可能流到接地電極81，的內周面并且不會到 達火花間隙33中的適當的放電點z,如圖16B所示。這導致了發 動機點火性的劣化。
在第二實施方式中，平面區51和凸曲區均形成在接地電極 27的外周面上形成。凸曲區允許空氣-燃料混合物易于繞凸曲
17區從外周側流到內周側，而后流入火花間隙33。此外，平面區 51產生不僅防止燃料的熱沖擊矢量集中，即使在空氣-燃料混 合物斜著碰撞接地電極27的前端部的外周面時也將空氣-燃 料混合物引導到火花間隙33中的適當的放電點a,而不會使空 氣-燃料混合物流入內周側的效果，如圖16A所示。因而，與 第一實施方式相同，通過在接地電極27的外周面上形成平面區 51和凸曲區，在第二實施方式中可以確保空氣-燃料混合物流 入火花間隙3 3并防止燃料直接碰撞接地電極2 7的前端部的外 周面時在接地電極2 7中產生晶粒缺陷。
為了使平面區51更穩定而有效地將空氣-燃料混合物引 導到火花間隙33，從而確保確實地提高點火性，優選地是適當 地考慮空氣-燃料混合物的流入方向，控制接地電極27的由平 面區51和前端面27s形成的前緣的角度e。尤其優選平面區51 與接地電極27的前端面27s形成的角度e在70度至IOO度的范圍 內。在第二實施方式中，平面區51與4妻地電才及27的前端面27s 基本正交(垂直)，通過使平面區51沿火花塞100的徑向取向， 接地電極27的前端面27s沿火花塞100的軸向取向，使得平面區 51與接地電極2 7的前端面2 7 s之間的角度0約為9 0度。
為了使平面區51更穩定而有效地將空氣-燃料混合物引 導到火花間隙33, 乂人而確保確實地3是高點火性，平面區51優選 地滿足以下尺寸條件
AxB^0.2;以及
其中A ( mm)是平面區51在接地電極27的縱向上的縱向 長度，B ( mm)是平面區51的橫向寬度，如圖14A和14B所示。
為了實現進一步提高點火性并確保貴金屬電極頭32的耐 久性，優選地，火花塞100滿足以下尺寸條件當0.3^D^C/4+0.8時，E^2xD; 當D〈0.3時，E^0.6;以及 F^l.6
其中C ( mm)是火花間隙33在火花塞100的徑向上的最小 距離；D ( mm)是連接貴金屬電極頭31的末端面的前緣和貴 金屬電極頭32的末端面的前緣的最短線段的中點(在中心電極 5上沒有貴金屬電極頭的情況下，連接中心電極5的前端面的邊 緣和貴金屬電極頭32的末端面的前緣的最短線段的中點)a到 接地電極27的前端部的外周面的在火花塞100的軸向上的距 離；E ( mm )是在火花塞IOO的徑向上從中點a到接地電極27 的前端面27s的距離；F ( mm)是貴金屬電極頭32從接地電極 27的前端面27s突出的長度，如圖15所示。通過將貴金屬電極 頭3 2的突出長度F控制為1.6 m m以下，能夠有效地防止貴金屬 電極頭32的傳熱性的劣化。在D〈0.3(mm)的情況下，可以 通過滿足E^0，6的條件更確定地獲得平面區51的上述效果。在 D^0.3(mm)的情況下，可以通過滿足E^2xD的條件更確定地 獲得平面區51的上述效果。在這種情況下，由于基于式F^1.6 且F二E-C/2式2D-(mm)成立，距離D的上限被設定 為C/4+0.8 ( mm)。
在第二實施方式中可以適當地改變"J秦地電才及2 7的形式。例 如，還可以在4妄地電才及27的前端部的相反側面上形成平面區52 和53,如圖17A所示，從而在空氣-燃料混合物斜著流到接地 電極27時，將空氣-燃料混合物更穩定地引導到火花間隙33。
致半圓柱狀。在接地電極27為具有平坦內表面27f的半圓柱狀 的情況下，矩形的貴金屬電極頭32l可以配置在接地電極27的 平坦內表面27f上或者埋設到接地電極27的平坦內表面27f中，并且通過例如電阻焊接部分與該內表面27f接合，從而從接地電 極27的前端面朝火花塞軸線突出，如圖18所示。
將參照以下實施例更詳細地說明本發明。然而，應當注意， 以下實施例僅為說明性的，不用于限制本發明。 實驗l
通過改變平面區51的縱向長度A、接地電極27的第一橫截 面的面積Sl和周長L1 、以及接地電極27的第二一黃截面的面積 S2和周長L2，制造火花塞l的試驗樣本(作為實施例)。
對各試驗樣本進行耐久性試驗。這里通過將試驗樣本安裝 到2.0L直噴式發動機中，根據公路行駛模擬模式(highway driving simulation pattern )持續驅動發動才幾920小時(對應 于大概100,000km的行駛)來進行耐久性試—驗。在耐久性試驗 之前和之后，通過CT掃描監測4妄地電極27的橫截面(/人接地電 極27的前端面27s起的長度達到2mm ),以測量接地電極27的橫 截面積。計算耐久性試驗之后的接地電才及27的橫截面積與耐久 性試驗之前的接地電極27的橫截面積之比率，用于評價最小橫 截面積比率。可以認為，橫截面積比率越小，損耗度越大，即 在接地電極27中越有可能發生晶粒缺陷形成現象(蟲孔現象)。 試驗結果表示在圖20中。
除了平面區的縱向長度和接地電極的第一橫截面和第二橫 截面的面積和周長的條件之外，以相同的方式制造比較火花塞 的試驗樣本(作為比較例)并進行耐久性試驗。試驗結果也表 示在圖20中。
從圖20中可以看出，當A〈0.2mm(例如，A二O.lmm)時 橫截面積比率十分小。當A^0.2mm時橫截面積比率較大，特別 地，當A^0.2mm且0.9505(S2/L2)/(Sl/Ll)^0.995時，橫截面積 比率保持為比較大。
當(S2/L2)/(S1/L1)<0.950或
20(S2/L2)/(S1/L1)〉0.995時，無論A^0.2mm是否成立，橫截面積 比率都有所減小。因而，該實驗示出通過在A三0.2mm且 0.950S(S2/L2)/(S1/L1)S0.995的條件下在接地電極27上形成 平面區51，能夠有效地防止接地電極27中發生晶粒缺陷形成現 象。
此外，對各試驗樣本進行歸因于橫截面積比率減小而發生 提前點火的可能性的試驗。通過將試驗樣本安裝到2.0L六缸發 動機中，持續地以全速驅動發動機并且才全測在發生^是前點火時 的點火正時(。CA)來進行該試驗。當晶粒缺陷形成現象發生 (即，橫截面積比率減小)時，晶粒缺陷的邊緣變尖。這些變 尖的邊緣可能會積累熱量，從而溫度變高，使得在給定的點火 正時之前從上述變尖的邊緣開始發生點火燃燒。因而可以認為， 耐提前點火性(preignition resistance ) F遺著牙黃截面禾只比率的 變小而減小。試驗結果表示在圖21中。
從圖21中可以看出，當橫截面積比率大于或等于0.995時， 發生提前點火的點火正時保持在BTDC(上止點前，Before Top Dead Center ) 33度(對應于全速負載)。然而，當橫截面積比 率小于0.995時，發生提前點火的點火正時被延遲(retard) 了 。 即，當橫截面積比率小于0.995時，即使在更適度的條件下也會 發生提前點火。這示出通過滿足A^0.2mm且 0.950^(S2/L2)/(S1/L1)S0.995的條件，當接地電極27的橫截面 積比率變得大于或等于0.995時，能夠防止耐提前點火性劣化。 實驗2
通過在將平面區51的縱向長度A固定為0.3mm的同時將接 地電極27的半徑R (接地電極27的外周面的曲率半徑)變為 0.4mm、 0.5mm、 0.8mm、 l.Omm和l.lmm， 制造火花塞l的 試驗樣本(作為實施例)并以與實驗l相同的方式進行耐久性試驗。除了接地電極的第 一橫截面和第二橫截面的面積和周長 的條件之外，也以相同的方式制造比較火花塞的試驗樣本(作
為比較例)并進行耐久性試驗。試驗結果表示在圖22中。
從圖22中可以看出，當0.5mm^R^1.0mm且 0.950^(S2/L2)/(S1/L1)^0.995時，防止了橫截面積比率減小。 確 定 了 通 過 滿 足 0.5mm￡R$1.0mm 且 0.950S(S2/L2)/(S 1/L1)S0.995的條件能夠更有效地防止接地 電極27中發生晶粒缺陷形成(蟲孑L現象)。無論 0.950^(S2/L2)/(S1/L1)^0.995是否成立，當R〈0.5mm時和 R〉1.0mm時，橫截面積比率都不會減小或減小較少。這引起了 設想當R〈0.5mm時，接地電極27的縱軸和外周面之間的距離 太小以致于接地電極27的前端部的溫度不會由其周面的熱輻 射而變得過高；當R〉1.0mm時，凸曲區與平面區51之間的差異 不會大到使燃料的熱沖擊矢量集中，即使是在凸曲區。可以認 定，當R〈0.5mm時和R〉1.0mm時，晶粒缺陷本來就不太可能 發生，所以形成平面區51以滿足0.950S(S2/L2)/(S1/L1)^0.995 的條件的意義不大。 實驗3
制造火花塞100的試驗樣本(作為實施例)。在試驗樣本中， 接地電極27的橫截面為直徑1.6mm的圓形。在接地電極27的前 端部的外周面上形成縱向長度A為l.Omm、橫向寬度B為 0.4mm的平面區51 。 此外，試驗樣本的尺寸被控制為 C=0.9mm、 D=0.425mmiLE=1.45mm。
對試驗樣本進行點火性試驗。通過在初始室壓為lMPa、 燃料噴射壓強為20MPa且空氣-燃料比(A/F)為25的條件下， 將試驗樣本置于具有壓力傳感器的壓力室中、以各種角度朝試 驗樣本噴射汽油(作為燃料)并檢測點火的發生來進行點火性試驗。噴射角為-15度、0度和20度時的燃料噴射模型分別示出 在圖23A、 23B和23C中。基于壓力傳感器的波形判斷點火的發 生。當重復試驗30次時，將點火發生的次數確定為點火率。試 驗結果表示在圖24中。
除比較試驗樣本的接地電極沒有平面區且直徑為 D二0.45mm外，以相同的方式制造比較火花塞的試驗樣本(作 為比較例)并以相同的方式進行點火性試驗。試^r結果也表示 在圖24中。
從圖24可以看出，當燃料噴射角為-20度到10度時，比較 例的點火率劣化。另一方面，即使在燃料噴射角為-20度到10 度時，實施例中的點火率劣化也不大。實施例的點火率比比較 例的點火率高很多。在燃料噴射角為-10度時，觀察到實施例 和比較例之間的點火率差異最大。因而，這示出通過在接地電 極27上形成平面區51,即使燃料噴射角為-20至10度，也能夠 顯著地提高發動機點火性。 實驗4
通過改變平面區51的縱向長度A和橫向寬度B制造火花塞 IOO的試驗樣本。與以實驗3相同的方式在燃料點火角為-IO度 時對各試驗樣本的點火率進行試驗。試驗結果表示在圖2 5中。
從圖25可以看出，當B〈0.2mm時，無^侖A^0.2mm是否成 立，點火率都比較低。當平面區51的表面積AxB小于0.2mm2 時，點火率也比較低。該實驗示出通過滿足AxB^0.2mm2且 B^0.2mm的條件能夠確保得到平面區51的效果。 實驗5
通過改變貴金屬電極頭32的突出長度F制造火花塞100的 試驗樣本。對各試驗樣本進行耐久性試驗以評價歸因于貴金屬 電極頭32損耗的火花間隙33的增加量。通過將試驗樣本安裝到
232.0L六缸發動才凡中，在5000rpm (全負荷)下持續驅動發動機 10 0小時并在試驗期間測量火花間隙3 3的增加量來進行耐久性 試驗。試驗結果表示在圖26中。
從圖26可以看出，當F〉1.6mm時，貴金屬電極頭32的損 耗量顯著增加，使得間隙增加量超出其消耗極限2.0mm。因而 確定了傳熱性隨著貴金屬電極頭32的突出長度F (長度尺寸) 的增加而變得不足。 實驗6
通過改變接地電極2 7的尺寸D和E來制造火花塞10 0的試 驗樣本。在試驗樣本中，將平面區51的縱向長度A和橫向寬度B 分別控制為1.0mm和0.4mm。以與實馬全3相同的方式，在燃料 點火角為-10度時對各試驗樣本進行點火率試驗。試驗結果表 示在圖27中。
從圖27可以看出，當D〈0.3mm或E^0.6mm時以及當 D^0.3mm且E^2xDmm時，點火率高。考慮到以下事實基于 式F^1.6且F二E-C/2,式2D-C/2^1.6,即D^C/4+0.8成立，將 距離D的上限設定為C/4+0.8。確定了通過滿足D〈0.3mm且 E^0.6mm的條件或通過滿足0.3^DsC/4+0.8mm且E^2xDmm 的條件，能夠確保得到平面區51的效果。
第2007—327314號曰本專利申"i青(于2007年12月19曰遞 交)和第2007—336219號曰本專利申"i青(于2007年12月27曰遞 交)的全部內容通過引用包含于此。
雖然已參照上面的特定實施方式說明了本發明，但是本發 明不限于典型實施方式。對于所屬技術領域的技術人員，根據 以上教導可以產生對上述實施方式的各種變型和改變。
例如，雖然以上實施方式中火花塞l、 IOO具有單個接地電 極27，但作為可選方案，火花塞l、 IOO可以設置兩個以上接地電極27。
中心電極5和接地電極27不限于上述兩層結構。中心電極5 和接地電極27均可以具有三層或更多層的多層結構。在這種情 況下，優選地內電極層的金屬材料表現出的導熱性高于外電極 層的金屬材料的導熱性，以有效地傳熱。例如，中心電極5和 接地電極27可以形成為具有包括純鎳的內層、純銅或銅合金的 中間層和鎳的外層等的三層結構。作為可選方案，中心電極5 和接地電極2 7均可以具有例如鎳的單層結構。
只要平面區51能夠將空氣-燃料混合物引導到火花間隙 33且不引起燃料的熱沖擊矢量集中，平面區51可以不是嚴格的 平面，而是近似平面且稍-欽凹入。此外，平面區51的形狀不限 于矩形。接地電極27可以具有除了矩形以外的任意形狀的平面 區151，如圖19所示。在這種情況下，平面區151的縱向長度A 被定義為沿接地電極27的縱向從接地電極27的前端面27s到平 面區151的離接地電極27的前端面27s最遠的一點的長度；平面 區151的橫向寬度B被定義為沿接地電極27的前端面27s的寬 度。
參照權利要求書限定本發明的范圍。
權利要求
1. 一種內燃機用火花塞，其包括圓筒狀金屬殼，該金屬殼沿所述火花塞的軸線方向配置；圓筒狀絕緣體，該絕緣體被保持在所述金屬殼中；柱狀中心電極，該中心電極被布置在所述絕緣體中并且該中心電極的前端部從所述絕緣體突出；以及接地電極，該接地電極在其后端部結合到所述金屬殼的前端部并且以如下方式彎曲使所述接地電極的前端部朝向所述火花塞的軸線延伸，以在所述中心電極的所述前端部和所述接地電極的所述前端部之間限定火花間隙，所述接地電極包括在其外周面上形成的平面區，該外周面與面對所述絕緣體的內周面相反，所述平面區位于所述接地電極的所述前端部上，并且在所述接地電極的縱向上從所述接地電極的前端面起的長度為0.2mm以上，所述接地電極的所述外周面的除所述平面區以外的任何區域均是凸曲面，關于沿垂直于所述接地電極的所述縱向的方向穿過除所述平面區以外的所述任何區域的所述接地電極的第一橫截面和沿垂直于所述接地電極的所述縱向的方向穿過所述平面區的所述接地電極的第二橫截面，所述接地電極滿足以下尺寸條件(1)，0. 950≤(S2/L2)/(S1/L1)≤0.995 (1)其中，S1是所述第一橫截面的面積；L1是所述第一橫截面的周長；S2是所述第二橫截面的面積；L2是所述第二橫截面的周長。
2. 根據權利要求l所述的火花塞，其特征在于，除所述平面區以外的所述任何區域都形成為曲率半徑為0.5mm至l.Omm的圓弧狀。
3. 根據權利要求l所述的火花塞，其特征在于，還包括貴金屬電極頭，該貴金屬電極頭布置在所述接地電極的所述前端面上并朝所述火花塞的軸線突出，從而在所述貴金屬電極頭的末端面和所述中心電極的所述前端部的外周面之間限定火花間隙，其中，所述平面區相對于所述接地電才及的所述前端面形成70度至100度的角度。
4. 根據權利要求3所迷的火花塞，其特征在于，所述平面區滿足以下尺寸條件(2)和(3):AxB^0.2 (2);以及(3)其中，A(mm)是所述平面區沿所述接地電極的縱向的長度，B ( mm)是所述平面區沿垂直于所述接地電極的縱向的方向的寬度。
5. 根據權利要求3所述的火花塞，其特征在于，所述火花塞滿足以下尺寸條件(4)、 (5)和(6):當0.3sDsC/4+0.8時，E>2xD (4);當D〈0.3時，E^0.6 (5);以及(6)其中，C( mm)是所述火花間隙的最小徑向尺寸；D(mm)是從連接所述貴金屬電極頭的所述末端面的前緣和所述中心電極的所述前端部的前緣的最短線段的中點到所述接地電極的所述前端部的所述外周面的軸向距離；E ( mm)是從所述中點到所述接地電極的所述前端面的徑向距離；F ( mm)是所述貴金屬電極頭從所述接地電極的所述前端面突出的長度。
全文摘要
一種內燃機用火花塞，包括在外周面上形成有平面區和凸曲區的接地電極。該平面區位于接地電極的前端部，并且在接地電極的縱向上從接地電極的前端面起的長度為0.2mm以上。關于沿垂直于接地電極的縱向的方向穿過凸曲區和平面區的第一橫截面和第二橫截面，接地電極滿足以下尺寸條件(1)0.950≤(S2/L2)/(S1/L1)≤0.995(1)，其中，S1是第一橫截面的面積；L1是第一橫截面的周長；S2是第二橫截面的面積；L2是第二橫截面的周長。
文檔編號H01T13/20GK101465520SQ20081018586
公開日2009年6月24日 申請日期2008年12月18日 優先權日2007年12月19日
發明者中山勝稔, 加藤友聰, 龜田裕之 申請人:日本特殊陶業株式會社