專利名稱：小直徑/長(zhǎng)距離火花塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于內(nèi)燃機(jī)、熔爐等的火花塞，特別是涉及具有改善的機(jī)械 和絕緣強(qiáng)度的火花塞。
背景技術(shù)：
火花塞是一種延伸進(jìn)內(nèi)燃機(jī)、熔爐等的燃燒室并產(chǎn)生火花來點(diǎn)燃空氣和 燃料混合物的裝置。近來，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)向減少發(fā)動(dòng)機(jī)排放量的方向發(fā)展。同 時(shí)，增大進(jìn)氣和出氣閥來提高效率。這些改變會(huì)侵占為火花塞保留的物理空 間。燃燒效率同樣也要求提高點(diǎn)火系統(tǒng)的電壓需求量。這些因素以及其他因 素會(huì)促使火花塞的結(jié)構(gòu)尺寸向更小的范圍發(fā)展，同時(shí)要求火花塞具有更好的 性能。當(dāng)前工業(yè)上需要10-12mm范圍內(nèi)的高性能火花塞，并期望這些尺寸能 夠進(jìn)一步減小。
在嘗試縮小火花塞尺寸時(shí)特別需要考慮陶瓷絕緣件在薄部的介電常數(shù)的 降低。 一般絕緣強(qiáng)度定義為可應(yīng)用于該材料而不會(huì)導(dǎo)致?lián)舸┗螂姄舸┑淖畲?電場(chǎng)。因此，陶瓷絕緣件的薄截面會(huì)導(dǎo)致帶電中心電極和接地殼體之間產(chǎn)生 介電擊穿。
在嘗試縮小火花塞尺寸時(shí)需要考慮的另一點(diǎn)是，較薄的橫截面，特別是 位于陶瓷絕緣件部分，所導(dǎo)致的機(jī)械強(qiáng)度的減小。機(jī)械強(qiáng)度減小的區(qū)域所導(dǎo) 致的問題在火花塞加工過程中已經(jīng)被證實(shí)，其會(huì)在元件上產(chǎn)生較大的軸向負(fù) 載和機(jī)械應(yīng)力。例如，在絕緣件內(nèi)設(shè)置阻燃密封裝置時(shí)，以及令殼體向絕緣 件的外部產(chǎn)生巻曲時(shí)，陶瓷材料處于大應(yīng)力和壓縮負(fù)載的狀況下。各種在先
5使用的方式，包括將具有高扭矩的火花塞安裝于汽缸蓋之中的步驟，使得作 用于現(xiàn)代火花塞上的機(jī)械應(yīng)力趨向于其屈服極限。用于發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中時(shí)，通 過發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、燃力以及熱梯度，火花塞進(jìn)一步受限于機(jī)械應(yīng)力。在這些因 素的影響下，火花塞尺寸的減小會(huì)將其元件的應(yīng)力承受極限推向失效點(diǎn)。
因此，需要一種改良的火花塞，能夠解決在現(xiàn)有規(guī)格的、長(zhǎng)、以及特長(zhǎng) 火花塞設(shè)計(jì)中受尺寸減小的影響所存在的機(jī)械和絕緣強(qiáng)度限制問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供用于火花點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)的火花塞。該火花塞包括一延長(zhǎng)的陶瓷 絕緣件，該絕緣件包括上末端、下突出端以及在該上末端和下突出端之間縱 向延伸的中心通道。所述絕緣件具有外表面，該外表面在接近所述末端處呈 現(xiàn)出大致圓形的大肩部，以及在最靠近所述突出端處呈現(xiàn)出大致圓形的小肩 部。所述大肩部的直徑大于所述小肩部的直徑。導(dǎo)電殼體圍繞所述絕緣件至 少一部分。該殼體包括至少一個(gè)接地電極。導(dǎo)電中心電極設(shè)于所述中心通道 中，并具有最接近所述接地電極的、暴露在外的點(diǎn)火端。所述絕緣件的下突
出端在鄰近所述小肩部處測(cè)得最大外徑d (base),在鄰近所述中心電極的所 述點(diǎn)火端處測(cè)得最小外徑d (tip)。所述殼體包括圍繞所述絕緣件的所述下突 出端的內(nèi)孔徑ID (shell),根據(jù)下列公式建立空間關(guān)系
d (base) + d (tip)
0.05《(-^~~ )十ID (shell)《0.7
申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)根據(jù)這些尺寸關(guān)系制造的火花塞充分提高了火花塞的性能， 且特別適用于由于燃燒區(qū)域空間有限而必須采用小型火花塞的現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè) 計(jì)領(lǐng)域中。
為便于理解本發(fā)明的上述和其他特征及優(yōu)點(diǎn)，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)
行詳細(xì)描述。其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的火花塞的剖視圖2是火花隙區(qū)域的放大片段圖，展現(xiàn)了固定于接地電極上的具底緣的 半球狀金屬點(diǎn)火端；
圖3是與圖2 —樣的圖示，但展示了另一可選實(shí)施例，其中中心電極同 樣設(shè)有凸起有圓頂?shù)牡诙饘冱c(diǎn)火端；
圖4A-B展示了現(xiàn)有技術(shù)的各種具有接地和中心電極特征的火花隙結(jié)構(gòu)， 這些接地和中心電極特征具有或不具貴金屬點(diǎn)火端設(shè)計(jì)；
圖5是與圖2 —樣的圖示，舉例說明了從中心電極的貴金屬端延伸至接 地電極的具底緣的半球狀金屬點(diǎn)火端的圓錐點(diǎn)火區(qū)；
圖6是與圖3 —樣的圖示，描述了在從中心和接地電極的相對(duì)具底緣的 半球狀點(diǎn)火端之間延伸的大致線形或柱形點(diǎn)火區(qū)；
圖7是大致沿圖2中7-7線的放大的寫實(shí)剖視圖，采用虛線舉例描繪了可 選激光焊接機(jī)；
圖8是根據(jù)本發(fā)明的設(shè)有具底緣的半球狀金屬點(diǎn)火端的接地電極的片段 立體圖9是穿過根據(jù)本發(fā)明的火花塞的陶瓷絕緣件的縱向剖視圖，確定對(duì)本 發(fā)明的一些方面有影響力的各種尺寸關(guān)系；
圖9A是絕緣過渡面的放大片段圖，突出了圓角過渡段和倒角過渡段之間 測(cè)量過渡長(zhǎng)度L (transition)的參考點(diǎn)；
圖IO是陶瓷絕緣件下半部的片段剖視圖，進(jìn)一步確定對(duì)本發(fā)明的一些特
征有影響力的各種尺寸關(guān)系；
圖11是大致沿圖10中11-11線的剖視圖；以及 圖12是火花塞下點(diǎn)火端的放大、片段剖視圖。
具體實(shí)施例
參照附圖，其中相似的數(shù)字指代附圖中相似或相應(yīng)的部件，本發(fā)明火花 塞10大致如圖1所示。該火花塞10包括管狀陶瓷絕緣件12，該陶瓷絕緣件 12優(yōu)選由氧化鋁或其他具有指定絕緣強(qiáng)度、高機(jī)械強(qiáng)度、高導(dǎo)熱系數(shù)和極好 的抗熱沖擊性能的適合材料制成。該絕緣件12在極限壓力下模壓千燥，然后在爐中高溫?zé)敛ＡЩ?。絕緣件12具有外表面，該外表面設(shè)有部分暴露在外
的上桿部14，橡膠火花塞護(hù)套(圖未示)包圍并夾緊該上桿部14以保持與點(diǎn) 火系統(tǒng)的連接。暴露在外的桿部14可包括一系列肋16，來提供附加的防火花 或次電壓擊穿保護(hù)，并改進(jìn)與橡膠火花塞護(hù)套的緊密配合，或者該桿部14可 為平滑的，如圖9所示。絕緣件12為大致管狀結(jié)構(gòu)，包括中心通道18，該中 心通道18在上末端20和下突出端22之間縱向延伸。中心通道18具有變化 的橫截面積，通常在末端20處或鄰近末端20處的橫截面積最大，管口端22 或鄰近突出端22處的橫截面積最小。
導(dǎo)電的、優(yōu)選金屬制成的殼體用24來標(biāo)識(shí)。該殼體24圍繞絕緣件12的 下部區(qū)域，并包括至少一個(gè)接地電極26。當(dāng)接地電極26為傳統(tǒng)單L形時(shí)，基 于火花塞10的預(yù)期應(yīng)用領(lǐng)域，該接地電極可采用直的或者彎曲的多接地電極 來替代。
殼體24在本體部分大致呈管狀，該殼體24包括適于與絕緣件12的小下 肩部68擠壓接觸的內(nèi)部下壓縮凸緣28。殼體24進(jìn)一步包括上壓縮凸緣30， 該上壓縮凸緣30于組裝過程中巻曲或成形，以便與絕緣件12的大上肩部66 擠壓接觸。上壓縮凸緣30成形過程中或者成形之后，扣接區(qū)域32在其無法 承受的壓縮力作用下被壓扁，從而將殼體24固定在相對(duì)于絕緣件12固定的 位置?？稍诮^緣件12和殼體24之間設(shè)置墊圈、粘結(jié)劑或其他密封化合物來 優(yōu)化氣密性密封，提高組裝后的火花塞10的結(jié)構(gòu)完整性。
殼體24具有工具接收六邊形34結(jié)構(gòu)，以便于拆除和安裝。該六邊形尺 寸符合相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然， 一些應(yīng)用中可要求采用非六邊形的 工具接收界面，例如已知的比賽用火花塞應(yīng)用中或其他環(huán)境中。金屬殼體24 的下部設(shè)有螺紋部36，該螺紋部36直接位于座部38下方。該座部38與一墊 圈39配合以提供火花塞10位于汽缸蓋內(nèi)適當(dāng)?shù)慕缑??？蛇x地，該座部38設(shè) 計(jì)有一錐度，以便進(jìn)行為這類火花塞所設(shè)計(jì)的汽缸蓋內(nèi)的自密封安裝。
導(dǎo)電末端螺栓40部分設(shè)于絕緣件12的中心通道18內(nèi)，從暴露在外的頂 柱縱向向下延伸至部分嵌入中心通道18的底端。頂柱連接點(diǎn)火線(圖未示) 并接收點(diǎn)燃火花塞10所需的高壓電的定時(shí)放電。
圖1舉例說明的實(shí)例中，末端螺栓40的底端嵌在導(dǎo)電玻璃密封裝置42
8中，形成合成的抑制-密封包的頂層。導(dǎo)電玻璃密封裝置42起到將末端螺栓 40的底端密封至電阻層44的作用。該電阻層44包括3層抑制-密封包的中間 層，能夠由任何已知的能夠降低電磁干擾(electromagnetic interference,"EMI") 的合適合成物制成。l基于推薦采用的安裝方式以及所采用的點(diǎn)火系統(tǒng)的類型， 可以設(shè)計(jì)這種電阻層44，使其起到更為傳統(tǒng)的電阻型-干擾抑制器的作用，或 者，可選地，起到電感型-干擾抑制器的作用。另一導(dǎo)電玻璃密封裝置46直接 設(shè)于電阻層44下方，建立起抑制-密封包的底或下層。因此，點(diǎn)火系統(tǒng)的電流 經(jīng)末端螺栓40的底端流至頂層導(dǎo)電玻璃密封裝置42，經(jīng)電阻層44，進(jìn)入下 導(dǎo)電玻璃密封裝置層46。
導(dǎo)電中心電極48部分設(shè)于中心通道18中，從其包圍于下玻璃密封裝置 層46中的頭部縱向延伸至其與接地電極26最接近的、暴露在外的點(diǎn)火末端 50。中心電極48的頭部位于中心通道18收縮成頸狀的部分中。抑制-密封包 將末端螺栓40和中心電極48相互電性連接，同時(shí)，將中心通道18密封，以 防止燃燒氣體泄漏，而且還抑制火花塞10發(fā)出射頻噪聲。然而，根據(jù)預(yù)期應(yīng) 用領(lǐng)域的不同需求，可采用其他被動(dòng)或主動(dòng)元件來替換抑制-密封包。如圖所 示，中心電極48優(yōu)選為在其頭部和點(diǎn)火末端50之間連續(xù)不間斷延伸的單片 結(jié)構(gòu)。然而，也可采用其他設(shè)計(jì)安排。
第二金屬點(diǎn)火端52位于中心電極48的點(diǎn)火末端50。(為避免任何混淆， 注意后續(xù)將結(jié)合接地電極26來介紹和描述"第一"金屬點(diǎn)火端。)第二金 屬點(diǎn)火端52為越過火花隙54的電子發(fā)射提供點(diǎn)火面?？筛鶕?jù)任何己知技術(shù) 制造中心電極48的第二金屬點(diǎn)火端52，包括任何已知貴金屬或高性能合金的 線狀或鉚釘狀結(jié)構(gòu)的活塊成形以及后續(xù)的分離，這些貴金屬或高性能合金包 括，但不限于，銷、鎢、銠、釔、銥及其合金。其他的合金元素還可包括， 但不限于，鎳、鉻、鐵、碳、錳、硅、銅、鋁、鈷、錸等等。事實(shí)上，任何 在燃燒環(huán)境下可提供良好的耐侵蝕和腐蝕性能的材料均可適用于構(gòu)成第二金 屬點(diǎn)火端52的材料組成中。
該接地電極26從與殼體24鄰近的錨固端延伸至與火花隙54鄰近的末梢 端。該接地電極26可具有典型的矩形橫截面，包括一圍繞銅芯的鐵基合金套。
可能最好如圖2所示， 一 (第一)金屬點(diǎn)火端56附于接地電極26的末
9梢端，并與中心電極48的點(diǎn)火末端50相對(duì)。也就是說，金屬點(diǎn)火端56位于 火花隙54的正對(duì)面。金屬點(diǎn)火端56有意設(shè)計(jì)為具底緣的半球狀結(jié)構(gòu)，以便 其呈現(xiàn)出由底緣60圍繞的凸起圓頂58。如圖2中的形狀所示，金屬點(diǎn)火端 56的形狀可比作一個(gè)煎蛋，其凸起圓頂部58代表類似雞蛋的蛋黃，底緣部 60代表蛋白。優(yōu)選地，底緣60具有大致環(huán)形的結(jié)構(gòu)，盡管其也可能采用非環(huán) 形的結(jié)構(gòu)。理想狀態(tài)下，雖然不必要，但凸起圓頂部58和底緣60大致沿與 火花隙54中部相交的想象中的中心軸彼此對(duì)準(zhǔn)。
與第二金屬點(diǎn)火端52類似，接地電極26的(第一)金屬點(diǎn)火端56可根 據(jù)任何己知技術(shù)制成，包括成形為任何按鈕狀結(jié)構(gòu)的活塊，該活塊由已知貴 金屬或高性能合金制成，這些貴金屬或高性能合金包括，但不限于，鉑、鎢、 銠、釔、銥及其合金。其他的合金元素還可包括，但不限于，鎳、鉻、鐵、 碳、錳、硅、銅、鋁、鈷、錸等等。事實(shí)上，任何在燃燒環(huán)境下可提供良好 的耐侵蝕和腐蝕性能的材料均可適用于構(gòu)成金屬點(diǎn)火端56的材料。
圖3展示了本發(fā)明的一可選實(shí)施例，其中中心電極48安裝有具底緣的半 球狀結(jié)構(gòu)的第二金屬點(diǎn)火端52'，該第二金屬點(diǎn)火端52'的結(jié)構(gòu)與附于接地電 極26的(第一)金屬點(diǎn)火端56的結(jié)構(gòu)充分類似。
圖4A-D展示了現(xiàn)有技術(shù)的接地和中心電極之間的火花隙54的各種結(jié)構(gòu)。 在現(xiàn)有技術(shù)的各實(shí)例中，接地電極用字母"GE"代表，而中心電極用字母"CE" 代表。圖4A舉例說明了典型的火花隙54結(jié)構(gòu)，其中中心電極CE和接地電 極GE均不具有金屬點(diǎn)火端。在該結(jié)構(gòu)中，中心電極的電勢(shì)能形成電弧穿過火 花隙54的"區(qū)域"到達(dá)接地電極的基材，該基材典型地包括具耐久性的鎳基 合金，為了到達(dá)熱傳輸?shù)哪康?，該合金常常設(shè)有銅芯。換句話說，所有從中 心電極CE到達(dá)接地電極GE的電弧均產(chǎn)生于火花隙54中。
圖4B-D展示了各種現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)，其中接地電極GE設(shè)有相對(duì)結(jié)構(gòu)寬 大或者窄小的金屬點(diǎn)火端。中心電極CE上的相對(duì)金屬火花端在尺寸上是否匹 配歸因于接地電極GE上的金屬點(diǎn)火端。在所有這些情況下，通常電弧越過點(diǎn) 火端的貴金屬墊，直接落在接地電極GE的基材上。這一點(diǎn)通過劣電弧62來 舉例說明。劣電弧62在燃燒環(huán)境下很常見，其會(huì)導(dǎo)致燃燒不一致，燃燒效率 出現(xiàn)可測(cè)量出的下降。點(diǎn)火事件中產(chǎn)生的這種系統(tǒng)循環(huán)變化將導(dǎo)致汽車司機(jī)感覺到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)和/或其性能不協(xié)調(diào)。因此，劣電弧62是非常不受歡 迎的。
圖5和圖6舉例描繪了設(shè)于接地電極26的具底緣的半球狀金屬點(diǎn)火端26。 無論第二金屬點(diǎn)火端52是采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)還是采用改進(jìn)后的設(shè)計(jì)，這些圖均舉 例描繪了采用凸起圓頂幾何形狀時(shí)，半球形狀是如何促使火花隙54中正?；?花形成電弧的區(qū)域在系統(tǒng)循環(huán)過程中處于更為一致的位置。當(dāng)然，由于電弧 位置越一致，燃燒也就越一致，所以當(dāng)然希望電弧位置更為一致。在性能方 面，點(diǎn)火事件中較小的系統(tǒng)循環(huán)變化提高了發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)性和運(yùn)行一致性。通 過扁平、凸緣狀底緣60的劣電弧62被明顯控制住。由于底緣60延伸的外周 呈現(xiàn)出拐角形狀，劣電弧62更易被吸引至金屬點(diǎn)火端56的貴金屬上，極少 傾向于越過貴金屬墊。此外，這也使得系統(tǒng)循環(huán)基礎(chǔ)上的燃燒更為一致。I
圖7是沿圖2中7-7線直接穿過金屬點(diǎn)火端56和接地電極26的充分放大 剖視圖。該剖視圖舉例說明了底緣60的另一優(yōu)點(diǎn)。明確地說，底緣60產(chǎn)生 與接地電極26直接接觸的額外的表面積。其結(jié)果是，可實(shí)現(xiàn)金屬點(diǎn)火端56 更好的附著或固定。本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員很容易知曉將該金屬點(diǎn)火端56 附著于接地電極26的各種不同方法。在圖7中，金屬點(diǎn)火端56的底部和接 地電極26的上表面之間的彈坑狀界面使人聯(lián)想到一種電阻焊接型操作。電阻 焊接是通過增加金屬點(diǎn)火端56和接地電極26之間的面面接觸面積來改進(jìn)的 多種可能技術(shù)中的一種。虛線舉例說明了激光焊接裝置64。底緣60特征具有 增加金屬點(diǎn)火端56的外周面積的附加優(yōu)點(diǎn)，因此，在執(zhí)行激光封頂操作的情 況下，存在較大的焊接界面。通過采用高溫粘結(jié)劑、機(jī)械扣接結(jié)構(gòu)等可獲得 類似的好處。
圖8以立體形式展示了金屬點(diǎn)火端56。該金屬點(diǎn)火端56的獨(dú)特形狀可采 用許多方法來制成，在此僅提及少數(shù)可能的方法。作為一個(gè)實(shí)例，可從線軸 上切下一段貴金屬線，將其加熱并熱鐓成特有的煎蛋狀?？蛇x地，采用碾壓 操作、鑄造操作或任何其他合意方法將熔融貴金屬成形。
在此，可以將絕緣件12的各種結(jié)構(gòu)和幾何形狀配置結(jié)合使用，也可以將 其彼此獨(dú)立地使用，來提高所實(shí)現(xiàn)的火花塞設(shè)計(jì)的機(jī)械和絕緣強(qiáng)度。除了絕 緣件12幾何設(shè)計(jì)和形狀的變化之外，殼體24也可進(jìn)行各種設(shè)計(jì)變化，特別是，絕緣件12的下部突出區(qū)可進(jìn)一步為本發(fā)明的改進(jìn)作貢獻(xiàn)。例如，可以確
認(rèn)通過形成直接位于絕緣件12大上肩部66之下的相對(duì)淺的過渡錐角可具有
特定優(yōu)點(diǎn)。該相對(duì)淺的角度減小了壓縮應(yīng)力，降低了彎矩載荷。
圖9和圖9A展示了具有特別優(yōu)點(diǎn)的絕緣件12幾何結(jié)構(gòu)，以便傳統(tǒng)的絕 緣件材料(例如，陶瓷)被制成小型、相對(duì)易碎的尺寸后仍然能夠承受安裝 和運(yùn)行過程中施加于絕緣件的應(yīng)力。特別是，所示絕緣件12的外表面，在最 接近末端20處呈現(xiàn)出大致圓形的大上肩部66，在最靠近突出端22處呈現(xiàn)出 大致圓形的小肩部68。在安裝于殼體24中的過程中，小肩部68緊靠下壓縮 凸緣28設(shè)置，同時(shí)大肩部66被殼體24的上壓縮凸緣30擠壓。因此將很大 的壓縮力強(qiáng)加至絕緣件12于大、小肩部66、 68之間的區(qū)域。就機(jī)械結(jié)構(gòu)而 言，當(dāng)火花塞10的尺寸減小到適合設(shè)于小孔或緊配合于發(fā)動(dòng)機(jī)空間中時(shí)，絕 緣件12就很難被穩(wěn)固安裝于殼體24中。例如，10-12毫米或更小范圍內(nèi)的火 花塞需要將絕緣件12的物理尺寸縮小至一定限度，以至于材料的立柱強(qiáng)度完 全不能承受建立和保持殼體24內(nèi)的氣密性密封所需的壓縮載荷。
申請(qǐng)人已發(fā)現(xiàn)能夠減小火花塞10的尺寸而不超出標(biāo)準(zhǔn)絕緣材料(例如陶 瓷)的機(jī)械強(qiáng)度的非常有用的幾何關(guān)系。這是通過控制由絕緣件12外表面上 從大肩部66減小至小肩部68的絕緣件結(jié)構(gòu)外部尺寸部分所確定的過渡區(qū)來 實(shí)現(xiàn)的。再參考圖9，所示絕緣件12外表面包括圓角過渡段74，該圓角過渡 段74藉由過渡長(zhǎng)度L (transition)與倒角過渡段76隔開。術(shù)語"圓角"和"倒 角"來自牽伸工藝"倒角"和"圓角"中已知參考信息，也就是，分別為內(nèi) 角和外角。如剖面所示，圓角過渡段74和倒角過渡段76形成與必須有效減 小絕緣件12外表面的直徑的S形剖面類似的形狀。如圖9所示，圓角過渡段 74由大直徑D2限定，大直徑D2表示與大肩部66鄰近的絕緣件12的最大外 徑。另一方面，倒角過渡段76由小直徑D1來限定，小直徑D1表示絕緣件 12外部導(dǎo)向小肩部68的那部分的直徑。過渡長(zhǎng)度L (transition)是圓角過渡 段74和倒角過渡段76之間縱向距離的大小。
圖9A提供了過渡長(zhǎng)度L (transition)的放大圖，其中起始測(cè)量是通過過 渡面之間的理論相交處定位的。呈截頭圓錐狀的傾斜過渡面78在圓角過渡段 74和倒角過渡段76之間延伸。雖然過渡面78優(yōu)選采用呈截頭圓錐狀的細(xì)尖
12端幾何體形狀，但在不會(huì)犧牲本發(fā)明的重要特征情況下，也可采用其他稍彎 曲形狀。
已經(jīng)確定了非常有用的空間關(guān)系，其為本發(fā)明絕緣件12提供了非常堅(jiān)固 的機(jī)械強(qiáng)度，以便承受安裝和運(yùn)行期間以及成型和點(diǎn)火步驟中的處理絕緣件
12期間，作用于火花塞10上的壓縮應(yīng)力。特別是，在D1、 D2和過渡長(zhǎng)度L (transition)之間建立關(guān)系。優(yōu)選地，采用下列公式來表明這種關(guān)系
(D2-Dl)
0.5 S -《3.5
L (transition)
雖然在該幾何關(guān)系范圍內(nèi)制成的產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)滿意的效果，但申請(qǐng)人已發(fā) 現(xiàn)通過將范圍縮小至下列公式可獲得更優(yōu)選的效果-
(D2 —Dl)
0.55《-
L (transition)
對(duì)于根據(jù)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用制造的火花塞，申請(qǐng)人甚至定義了更優(yōu)選的 空間關(guān)系，其中
(D2-D1)
0.6 S -
L (transition)
通過減小絕緣件12突出部的厚度以增大突出部和殼體24之間的空氣間 隙，本發(fā)明可以獲得其他改進(jìn)。由于火花放電過程中以及開始燃燒過程中該 區(qū)域存在高壓氣體，故所增大的空氣間隙增大了運(yùn)行過程中火花塞10的介電 常數(shù)或絕緣強(qiáng)度。此外，通過減小突出部的厚度，可減小或消除產(chǎn)生火花軌 跡的可能，并產(chǎn)生一次級(jí)火花區(qū)域。
通過參考圖10-12可獲知進(jìn)一步的且有用的空間關(guān)系。在此，舉例說明了 絕緣件12的突出部設(shè)有根部對(duì)徑d (base)，該根部對(duì)徑d直接在小肩部68 之下測(cè)量得到。突出部的相對(duì)端或遠(yuǎn)端具有較小的外徑d (tip)。在突出部的 縱向長(zhǎng)度上，絕緣件12的壁厚從較大的根部對(duì)徑d (base)尺寸漸縮至較小
13的外徑d(tip)尺寸。已發(fā)現(xiàn)，通過小心控制該絕緣件突出區(qū)外徑之間相對(duì)接
地殼體ID (shell)內(nèi)徑的尺寸關(guān)系，在減小火花軌跡(也就是，沿絕緣件突
出端向上移動(dòng)的表面電荷)、增大為高介電燃燒氣體所提供的空間方面，可獲 得良好的效果，其中高介電燃燒氣體將電弧的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)限制在小直徑火花塞 中。更特別的是，申請(qǐng)人已確定將下列空間關(guān)系作為能夠提供所期望的有利
火花塞性能的空間關(guān)系
d (base) + d (tip)
0.5《 (-)+ ID (shell)《0.7
2
對(duì)于根據(jù)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用制造的火花塞，申請(qǐng)人還確定了一種最優(yōu)選的空
間關(guān)系，其中
d (base) + d (tip)
0.57 S (- ) + ID (shell) ^ 0.66
2
通過將密封t (seal)包裝區(qū)域的絕緣厚度調(diào)節(jié)得盡可能大，來獲得另一 種特別有利的關(guān)系。這就需要減小內(nèi)徑ID (seal)空間，為該區(qū)域提供更大的 介電常數(shù)。
在圖12中，殼體24的下壓縮凸緣28的區(qū)域如圖所示與絕緣件12的下 肩部68抵接。在此，下壓縮凸緣28具有內(nèi)周唇緣80。該唇緣80與絕緣件 12充分間隔，以便燃燒氣體占據(jù)其間的空間，從而增強(qiáng)火花塞10的絕緣性能。 更特別的是，己發(fā)現(xiàn)高度壓縮的燃燒氣體呈現(xiàn)出比陶瓷絕緣件12更大的介電 常數(shù)。因此，通過使燃燒氣體占據(jù)火花塞10的該區(qū)域，在此處接地殼體24 最接近充電中心電極48，除了在火花隙54中，增加附加介電常數(shù)是非常值得 的。
在此所描述的所有特征對(duì)于火花塞IO都是重要且有貢獻(xiàn)的，以便可加工 該火花塞IO使其具有更小的幾何比例，且不會(huì)導(dǎo)致其機(jī)械完整性或點(diǎn)火性能 降低。
以上所描述的如圖所示的本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)火花塞設(shè)計(jì)中所存在的機(jī)械和絕緣強(qiáng)度限制問題以及解決了新型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)于火花塞的不同需求 問題。本發(fā)明火花塞減小了機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)，增加了擊穿距離，并減小了電應(yīng) 力場(chǎng)以消除整個(gè)設(shè)計(jì)中的銳角轉(zhuǎn)角。很明顯，根據(jù)以上描述可以對(duì)本發(fā)明做 各種改變和修改。因此，可以理解，除上述特定實(shí)施例外，本發(fā)明可以其他 方式實(shí)施，而不限于上述說明書中所描述。
1權(quán)利要求
1、一種用于火花點(diǎn)火的燃燒過程中的火花塞，該火花塞包括細(xì)長(zhǎng)的陶瓷絕緣件，包括上末端、下突出端以及在該上末端和下突出端之間縱向延伸的中心通道；所述絕緣件具有外表面，該外表面在最接近所述末端處呈現(xiàn)出大致圓形的大肩部，以及在最靠近所述突出端處呈現(xiàn)出大致圓形的小肩部，所述大肩部的直徑大于所述小肩部的直徑；圍繞所述絕緣件至少一部分的導(dǎo)電殼體，所述殼體包括至少一個(gè)接地電極；設(shè)于所述中心通道中的導(dǎo)電中心電極，該導(dǎo)電中心電極具有最接近所述接地電極的、暴露在外的點(diǎn)火端；所述絕緣件設(shè)有從所述下突出端延伸的突出區(qū)，該突出區(qū)在鄰近所述小肩部處測(cè)得最大外徑d(base)，在鄰近所述中心電極的所述點(diǎn)火端處測(cè)得最小外徑d(tip)；以及所述殼體包括圍繞所述絕緣件的所述突出區(qū)的內(nèi)孔徑ID(shell)，其中，根據(jù)下列公式建立空間關(guān)系<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mn>0.05</mn><mo>≤</mo><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>d</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>base</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>d</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>tip</mi><mo>)</mo> </mrow></mrow><mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>÷</mo><mi>ID</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>shell</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>≤</mo><mn>0.7</mn><mo>.</mo> </mrow>]]></math></maths>
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述絕緣件進(jìn)一步包括 圓角過渡段和經(jīng)過渡長(zhǎng)度L (transition)與該圓角過渡段隔開的倒角過渡段， 該圓角過渡段和倒角過渡段均縱向設(shè)于直徑完全不同的所述大肩部和所述小 肩部之間，所述圓形過渡段具有大直徑D2，所述倒角過渡段具有小直徑Dl， 其中根據(jù)下列公式建立空間關(guān)系(D2-D1)0,5《-^~《3.5L (transitiorO
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的火花塞，其特征在于，進(jìn)一步包括附于所述接地電極的所述末梢端的金屬點(diǎn)火端，該金屬點(diǎn)火端具有凸起圓頂和圍繞該圓 頂?shù)牡拙?，該底緣與所述接地電極面面接觸設(shè)置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的火花塞，其特征在于，所述金屬點(diǎn)火端的底緣 具有大致環(huán)狀的結(jié)構(gòu)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的火花塞，其特征在于，所述圓頂和所述底緣延想像中的中心軸大致彼此對(duì)準(zhǔn)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的火花塞，其特征在于，所述殼體包括上、下壓 縮凸緣，該上、下壓縮凸緣分別與所述絕緣件的所述大、小肩部擠壓接觸， 以使該絕緣件壓縮于所述大、小肩部之間。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的火花塞，其特征在于，所述殼體的所述下壓縮 凸緣包括內(nèi)周唇緣，該唇緣與所述絕緣件的所述下突出端相間隔，以便燃燒 氣體占據(jù)其間的空間并增強(qiáng)該空間的絕緣性能。
8、 一種用于火花點(diǎn)火的燃燒過程中的火花塞，該火花塞包括 延長(zhǎng)的陶瓷絕緣件，包括上末端、下突出端以及在該上末端和下突出端之間縱向延伸的中心通道；所述絕緣件具有外表面，該外表面在最接近所述末端處呈現(xiàn)出大致圓形 的大肩部，在最靠近所述突出端處呈現(xiàn)出大致圓形的小肩部，所述大肩部的 直徑大于所述小肩部的直徑；圍繞所述絕緣件至少一部分的導(dǎo)電殼體，該殼體包括至少一個(gè)接地電極；設(shè)于所述中心通道中的導(dǎo)電中心電極，該導(dǎo)電中心電極具有最接近所述 接地電極的、暴露在外的點(diǎn)火端；所述絕緣件設(shè)有從所述下突出端延伸的突出區(qū)，該突出區(qū)在鄰近所述小 肩部處測(cè)得最大外徑d (base),在鄰近所述中心電極的所述點(diǎn)火端處測(cè)得最 小外徑d (tip);以及所述殼體包括圍繞所述絕緣件的所述突出區(qū)的內(nèi)孔徑ID (shell),其中， 根據(jù)下列公式建立空間關(guān)系-d. (base) + d (tip) 0.057 S (——-——— )+ (sheil) 5 0.66
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的火花塞，其特征在于，所述絕緣件進(jìn)一步包括圓角過渡段和經(jīng)過渡長(zhǎng)度L (transition)與該圓角過渡段隔開的倒角過渡段， 該圓角過渡段和倒角過渡段均縱向設(shè)于直徑完全不同的所述大肩部和所述小 肩部之間，所述圓形過渡段具有大直徑D2，所述倒角過渡段具有一小直徑 Dl，其中根據(jù)下列公式建立空間關(guān)系(D2-D1)0.5《--3,5L (transition)
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的火花塞，其特征在于，進(jìn)一步包括附于所述 接地電極的所述末梢端的金屬點(diǎn)火端，該金屬點(diǎn)火端具有凸起圓頂和圍繞該 圓頂?shù)牡拙墸摰拙壟c所述接地電極面面接觸設(shè)置。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的火花塞，其特征在于，所述金屬點(diǎn)火端的所 述底緣具有大致環(huán)狀的結(jié)構(gòu)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的火花塞，其特征在于，所述圓頂和所述底緣 延想像中的中心軸大致彼此對(duì)準(zhǔn)。
13、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的火花塞，其特征在于，所述殼體包括上、下 壓縮凸緣，該上、下壓縮凸緣分別與所述絕緣件的所述大、小肩部擠壓接觸， 以使該絕緣件壓縮于所述大、小肩部之間。
14、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的火花塞，其特征在于，所述殼體的所述下壓 縮凸緣包括內(nèi)周唇緣，該唇緣與所述絕緣件的所述下突出端相間隔，以便燃 燒氣體占據(jù)其間的空間并增強(qiáng)該空間的絕緣性能。
全文摘要
一火花塞(10)，具有一延伸的陶瓷絕緣體(12)，該陶瓷絕緣體(12)包括多個(gè)位于不同位置的設(shè)計(jì)特征。至少該接地電極(26)上設(shè)有一具底緣的且半球狀的金屬點(diǎn)火端(56)，該金屬點(diǎn)火端(56)控制劣電弧(62)并通過同該接地電極(26)之間增加表面接觸而改善附著技術(shù)。該火花塞(10)的不同特征之間相互結(jié)合，以至于火花塞(10)的物理尺寸可被減小以滿足當(dāng)前新的發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，同時(shí)不犧牲火花塞的機(jī)械強(qiáng)度或性能。
文檔編號(hào)H01T13/20GK101496241SQ200780028787
公開日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2007年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月19日
發(fā)明者詹姆斯·D·呂科瓦基 申請(qǐng)人:費(fèi)德羅-莫格爾公司