專利名稱：具有改良絕緣設(shè)計的小直徑/長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)生火花來點燃空氣和 燃料混合物的裝置。近來，發(fā)動機(jī)技術(shù)向減少發(fā)動機(jī)排放量的方向發(fā)展。同 時，增大進(jìn)氣和出氣閥來提高效率。這些改變會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火系統(tǒng)的電壓需求量。這些因素以及其他因 素會促使火花塞的結(jié)構(gòu)尺寸向更小的范圍發(fā)展，同時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)用于該材料而不會導(dǎo)致?lián)舸┗螂姄舸┑淖畲?電場。因此，陶瓷絕緣件的薄截面會導(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需要考慮的另一點是，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，其會在元件上產(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，以及令殼體向絕緣 件的外部產(chǎn)生巻曲時，陶瓷材料處于大應(yīng)力和壓縮負(fù)載的狀況下。各種在先使用的方式，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)動機(jī)應(yīng)用中時，通 過發(fā)動機(jī)振動、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將其元件的應(yīng)力承受極限推向失效點。
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、以及特長 火花塞設(shè)計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)明提供用于火花點火內(nèi)燃機(jī)的火花塞。該火花塞包括延長的陶瓷絕 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。所述絕緣件進(jìn)一步包括圓角過渡 段和經(jīng)過渡長度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。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、暴露在外的點火端。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D1。大直徑D2和 小直徑D1之間以及與過渡長度之間的空間關(guān)系根據(jù)下列公式建立
(D2-Dl)
0.5 S -
L (transition)
上述確定的幾何關(guān)系描述了對于提高適用于具有大閥門和小孔徑的現(xiàn)有 發(fā)動機(jī)的火花塞的性能非常有利的特征。這些特定幾何關(guān)系能夠使火花塞具 有足夠的機(jī)械強(qiáng)度以承受裝配和運(yùn)行期間作用于其上的應(yīng)力，避免損害其電 性能。
為便于理解本發(fā)明的上述和其他特征及優(yōu)點，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)
5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 半球狀金屬點火端；
圖3是與圖2 —樣的圖示，但展示了另一可選實施例，其中中心電極同 樣設(shè)有凸起有圓頂?shù)牡诙饘冱c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火端設(shè)計；
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火端的圓錐點火區(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具底緣的 半球狀點火端之間延伸的大致線形或柱形點火區(qū)；
圖7是大致沿圖2中7-7線的放大的寫實剖視圖，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 測量過渡長度L (transition)的參考點；
圖IO是陶瓷絕緣件下半部的片段剖視圖，進(jìn)一步確定對本發(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是火花塞下點火端的放大、片段剖視圖。
具體實施例
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在極限壓力下模壓干燥，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 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。該殼體24圍繞絕緣件12的 下部區(qū)域，并包括至少一個接地電極26。當(dāng)接地電極26為傳統(tǒng)單L形時，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) 計有一錐度，以便進(jìn)行為這類火花塞所設(shè)計的汽缸蓋內(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。頂柱連接點火線(圖未示) 并接收點燃火花塞10所需的高壓電的定時放電。圖1舉例說明的實例中，末端螺栓40的底端嵌在導(dǎo)電玻璃密封裝置42 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火系統(tǒng)的類型， 可以設(shè)計這種電阻層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，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，可采用其他被動或主動元件來替換抑制-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)計安排。
第二金屬點火端52位于中心電極48的點火末端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"金屬點火端。)第二金 屬點火端52為越過火花隙54的電子發(fā)射提供點火面?？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。
8可能最好如圖2所示， 一 (第一)金屬點火端56附于接地電極26的末 梢端，并與中心電極48的點火末端50相對。也就是說，金屬點火端56位于 火花隙54的正對面。金屬點火端56有意設(shè)計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，金屬點火端 56的形狀可比作一個煎蛋，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準(zhǔn)。
與第二金屬點火端52類似，接地電極26的(第一)金屬點火端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)成金屬點火端56的材料。
圖3展示了本發(fā)明的一可選實施例，其中中心電極48安裝有具底緣的半 球狀結(jié)構(gòu)的第二金屬點火端52'，該第二金屬點火端52'的結(jié)構(gòu)與附于接地電 極26的(第一)金屬點火端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均不具有金屬點火端。在該結(jié)構(gòu)中，中心電極的電勢能形成電弧穿過火 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)哪康模摵辖鸪３ＴO(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)有相對結(jié)構(gòu)寬 大或者窄小的金屬點火端。中心電極CE上的相對金屬火花端在尺寸上是否匹 配歸因于接地電極GE上的金屬點火端。在所有這些情況下，通常電弧越過點 火端的貴金屬墊，直接落在接地電極GE的基材上。這一點通過劣電弧62來 舉例說明。劣電弧62在燃燒環(huán)境下很常見，其會導(dǎo)致燃燒不一致，燃燒效率
9出現(xiàn)可測量出的下降。點火事件中產(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火端26。 無論第二金屬點火端52是采用傳統(tǒng)設(shè)計還是采用改進(jìn)后的設(shè)計，這些圖均舉 例描繪了采用凸起圓頂幾何形狀時，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，點火事件中較小的系統(tǒng)循環(huán)變化提高了發(fā)動機(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。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，可實現(xiàn)金屬點火端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 增加金屬點火端56的外周面積的附加優(yōu)點，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火端56。該金屬點火端56的獨特形狀可采 用許多方法來制成，在此僅提及少數(shù)可能的方法。作為一個實例，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。可選地，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 其彼此獨立地使用，來提高所實現(xiàn)的火花塞設(shè)計的機(jī)械和絕緣強(qiáng)度。除了絕緣件12幾何設(shè)計和形狀的變化之外，殼體24也可進(jìn)行各種設(shè)計變化，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之下的相對淺的過渡錐角可具有 特定優(yōu)點。該相對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)動機(jī)空間中時，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提供了過渡長度L (transition)的放大圖，其中起始測量是通過過 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 端幾何體形狀，但在不會犧牲本發(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
(D2一D1)
L (transition)
雖然在該幾何關(guān)系范圍內(nèi)制成的產(chǎn)品可實現(xiàn)滿意的效果，但申請人己發(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-D1)
0.55《-S 1.2
L (transition)
對于根據(jù)車輛發(fā)動機(jī)的應(yīng)用制造的火花塞，申請人甚至定義了更優(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)有根部對徑d (base),該根部對徑d直接在小肩部68 之下測量得到。突出部的相對端或遠(yuǎn)端具有較小的外徑d (tip)。在突出部的縱向長度上，絕緣件12的壁厚從較大的根部對徑d (base)尺寸漸縮至較小 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)動趨勢限制在小直徑火花塞 中。更特別的是，申請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 S (- ) + ID (shell)《0.7
2
對于根據(jù)車輛發(fā)動機(jī)的應(yīng)用制造的火花塞，申請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 (- ) + ED (shell) S 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，已發(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，且不會導(dǎo)致其機(jī)械完整性或點火性能 降低。
13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)動機(jī)設(shè)計對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) 力場以消除整個設(shè)計中的銳角轉(zhuǎn)角。很明顯，根據(jù)以上描述可以對本發(fā)明做 各種改變和修改。因此，可以理解，除上述特定實施例外，本發(fā)明可以其他 方式實施，而不限于上述說明書中所描述。
權(quán)利要求
1、一種用于火花點火的燃燒過程中的火花塞，該火花塞包括細(xì)長的陶瓷絕緣件，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；所述外表面進(jìn)一步包括圓角過渡段和經(jīng)過渡長度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；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、暴露在外的點火端；以及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D1，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>0.5</mn><mo>≤</mo><mfrac> <mrow><mo>(</mo><mi>D</mi><mn>2</mn><mo>-</mo><mi>D</mi><mn>1</mn><mo>)</mo> </mrow> <mrow><mi>L</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>transition</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>≤</mo><mn>3.5</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，所述空間關(guān)系進(jìn)一步由下列公式表示<formula>formula see original document page 2</formula>
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述空間關(guān)系進(jìn)一步由下列公式表示<formula>formula see original document page 2</formula>
4、 根據(jù)權(quán)利要求1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。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的火花塞，其特征在于，所述中心電極包括頭部， 所述中心通道包括用于將所述頭部設(shè)置于所述中心電極中的內(nèi)凸部。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的火花塞，其特征在于，所述內(nèi)凸部縱向設(shè)置于 所述小肩部和所述倒角過渡段之間。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4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、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的火花塞，其特征在于，所述下突出端在鄰近所 述小肩部處測得最大外徑d (base)，在鄰近所述中心電極的所述點火端處測 得最小外徑d (tip)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的火花塞，其特征在于，所述殼體包括圍繞所述 絕緣件的所述下突出端的內(nèi)孔徑ID (shdl)，其中，根據(jù)下列公式建立空間關(guān) 系<formula>formula see original document page 3</formula>
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的火花塞，其特征在于，所述殼體包括圍繞所 述絕緣件的所述下突出端的內(nèi)孔徑ID (shell),其中，根據(jù)下列公式建立空間 關(guān)系-<formula>formula see original document page 3</formula>
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)包括多個位于不同位置的設(shè)計特征。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火端(56)，該金屬點火端(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)動機(jī)的需求，同時不犧牲火花塞的機(jī)械強(qiáng)度或性能。
文檔編號H01T13/20GK101496239SQ200780028736
公開日2009年7月29日 申請日期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 申請人:費德羅-莫格爾公司