火花塞及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及一种在汽车内燃机等中使用的火花塞及其制造方法。
背景技术
已知的火花塞包括中心电极和与中心电极的前端部间隔开放电间隙而被配置的接地电极，从而在中心电极和接地电极之间产生用于对内燃机的燃烧室中的空气燃料混合物进行点火的火花放电。
近年来，在全球环境保护的呼吁中，越来越强烈的要求提供能量节约，限制二氧化碳的排放并减少未燃烧气体(碳氢化合物)的排放。为了满足这些要求，积极对内燃机进行了改进，例如稀薄燃烧(lean-burn)发动机、直喷式汽油发动机和低排燃气发动机。此外，废气再循环(exhaust gas recirculation，EGR)系统被积极引入到稀薄燃烧发动机中，该系统使部分废气再循环进燃料室以减小吸气冲程的负性发动机负荷并产生更清洁的废气排放。在这种情况下，需要火花塞对包含大量非活性(inert)废气的稀薄空气燃料混合物进行点火。因此需要具有高点火性能的火花塞。
具有改进点火性能的一种已知类型的火花塞包括中心电极和接地电极，该中心电极在其电极主体焊接有贵金属电极头，该接地电极具有例如通过焊接筒状贵金属电极头而形成的突起部，使筒状贵金属电极头的环状面直接面对中心电极的贵金属电极头，从而在这些贵金属电极头之间产生火花放电。提出了另一种类型的火花塞，其中接地电极具有通过压制成型而形成的突起部。(见专利文献1)。
专利文献1：日本特开2006-286469号公告
在通过将贵金属电极头焊接至接地电极而形成突起部的情况下，火花塞获得改进的点火性能，但是由于使用了昂贵的贵金属电极头因而具有增加制造成本的问题。在接地电极的突起部通过压制成型来形成的情况下，压制成型处理在接地电极中产生塑性变形，从而接地电极变得易于折断。在火花塞的制造期间当接地电极被折曲为大致L状时或当火花塞成品在使用期间承受外力时，这会增大接地电极发生折断的可能性。因此，火花塞具有难以确保耐久性的问题。
【发明内容】
发明要解决的问题
创作了本发明以解决上述问题。本发明的目的是提供一种组合良好的点火性能、经济性和耐久性的火花塞。
根据本发明的一个方面，提供一种火花塞，该火花塞包括：筒状金属壳；被保持在金属壳中的筒状陶瓷绝缘体；被保持在陶瓷绝缘体中并且沿轴线方向延伸的中心电极；以及被形成为折曲形状的接地电极，该接地电极的后端部被固定至金属壳，该接地电极的前端部面对中心电极的前端部，且在接地电极的前端部和中心电极的前端部之间留有间隙，接地电极包括：形成在接地电极的后端侧且具有大厚度的大厚度部；形成在接地电极的前端侧且厚度比大厚度部的厚度小的小厚度部；形成在小厚度部并且面对中心电极的突起部；以及形成在大厚度部和小厚度部之间、且位于与接地电极的折曲形状的最小曲率半径部的位置不同的位置的厚度变化部。
根据本发明的另一个方面，提供一种火花塞的制造方法，该火花塞包括：筒状金属壳；被保持在金属壳中的筒状陶瓷绝缘体；被保持在陶瓷绝缘体中并且沿轴线方向延伸的中心电极；以及被形成为折曲形状地接地电极，该接地电极的后端部被固定至金属壳，该接地电极的前端部面对中心电极的前端部，且在接地电极的前端部和中心电极的前端部之间留有间隙，接地电极包括：形成在接地电极的后端侧且具有大厚度的大厚度部；形成在接地电极的前端侧且厚度比大厚度部的厚度小的小厚度部；形成在小厚度部并且面对中心电极的突起部；以及形成在大厚度部和小厚度部之间、且位于与接地电极的折曲形状的最小曲率半径部的位置不同的位置的厚度变化部，制造方法包括：压制成型步骤，用于为接地电极提供大厚度部、小厚度部、厚度变化部和突起部；折曲步骤，用于以使最小曲率半径部和厚度变化部的位置彼此不同的方式来折曲接地电极，以限定最小曲率半径部；以及前端成形步骤，用于在压制成型步骤之后将接地电极的前端部加工成给定形状。
在本发明的火花塞中，接地电极具有厚度变化部，该厚度变化部以厚度变化部的位置不同于接地电极的折曲形状的最小曲率半径部的位置的方式形成在大厚度部和小厚度部之间。因此，能够防止在接地电极中发生折断，并确保耐久性。
【附图说明】
图1是根据本发明的一个实施方式的火花塞的整体剖视图。
图2是图1中的火花塞的主要部分的放大图。
图3A是根据本发明的另一个实施方式的火花塞的主要部分的放大图。
图3B是图3A中的火花塞的接地电极的剖视图。
图4是根据本发明的又一个实施方式的火花塞的主要部分的放大图。
图5是根据本发明的再一个实施方式的火花塞的主要部分的放大图。
图6是根据本发明的还一个实施方式的火花塞的主要部分的放大图。
图7是根据本发明的还一个实施方式的火花塞的主要部分的放大图。
图8是示出图1中的火花塞的制造方法的示意图。
图9是示出图7中的火花塞的制造方法的示意图。
图10是根据本发明的实施方式的火花塞的接地电极的突起部的变形例。
图11是根据本发明的实施方式的火花塞的接地电极的突起部的变形例。
图12是根据本发明的实施方式的火花塞的接地电极的突起部的变形例。
图13是根据本发明的实施方式的火花塞的接地电极的突起部的变形例。
图13是根据本发明的实施方式的火花塞的接地电极的突起部的变形例。
图14是根据本发明的实施方式的火花塞的接地电极的突起部的变形例。
图15是根据本发明的实施方式的火花塞的接地电极的突起部的变形例。
图16是根据本发明的还一个实施方式的火花塞的主要部分的放大图。
【具体实施方式】
下面参考附图，对本发明进行详细说明。这里，相同的部位和部分被指定相同的附图标记，以避免对其进行重复说明。
如1所示，根据本发明的一个实施方式的火花塞100包括金属壳1、陶瓷绝缘体2、中心电极3和接地电极4。
金属壳1是由例如低碳钢等金属制成并形成为筒状。在金属壳1的外周面形成螺纹部7，并适于将火花塞100安装至发动机气缸体(未示出)。
陶瓷绝缘体2是由诸如氧化铝或氮化铝等烧结陶瓷制成并被保持在金属壳1中，并且陶瓷绝缘体2的前端部从金属壳1的端面突出。
通孔6沿陶瓷绝缘体2的轴线O的方向贯通陶瓷绝缘体2而形成。中心电极3被配置在通孔6的前侧(图中的下侧)，并且中心电极3的前端部从陶瓷绝缘体2的端面突出。该中心电极3具有作为表层部的中心电极主体30和被焊接至中心电极主体30的前端的贵金属电极头32。中心电极主体30是由Ni基合金制成并形成为柱状。中心电极3还具有埋设在电极主体30中的Cu或Cu合金的热传导增强构件。贵金属电极头32可以由Ir合金制成并且具有直径为0.6mm的圆柱状外形，该Ir合金包含Ir作为主要成分，以及从Pt、Rh、Ru和Re中选取的一种或多种合计3～50质量％作为副成分，该副成分不仅抑制Ir的氧化/挥发，而且改善可加工性。陶瓷绝缘体2的通孔6的后侧配置有端子配件23，并且该端子配件23经由无线电噪音消减电阻器25和导电性玻璃密封层24和26电连接至中心电极3。
接地电极4被折曲为大致L状并且被配置为使接地电极4的一个端部(后端部)接合至金属壳1的前端面，另一个端部(前端部)面对中心电极3的贵金属电极头32的前端。还如图2所示，该接地电极4包括：形成在接地电极4的后端侧上的具有大厚度(沿垂直于接地电极4的长度方向的方向的板厚度)的大厚度部44；形成在接地电极4的前端侧上的具有比大厚度部44的厚度小的厚度的小厚度部45；以及形成在小厚度部45上以便面对贵金属电极头32并朝着贵金属电极头32突出的柱状突起部41。在本实施方式中，突起部41具有直径为1.0mm、高度为0.3mm的圆柱状外形。为了改进点火性能和耐热性并降低制造成本，可以由例如Ni基合金等制成包括突起部41的接地电极4。柱状突起部41通过稍后将进行说明的压制成型来形成。接地电极4还包括在压制成型处理期间形成在大厚度部44和小厚度部45之间并且位于不同于最小曲率半径部43的位置的厚度变化部42，在该最小曲率半径部43位置，接地电极4的折曲形状具有最小曲率半径，如图2所示。
在接地电极4相对于最小曲率半径部43的前端侧上形成厚度变化部42的情况下，优选的是，厚度变化部42具有前端侧(小厚度部侧)和后端侧(大厚度部侧)，该前端侧沿轴线O的方向面对中心电极3的肩部33，该后端侧沿轴线O的方向面对陶瓷绝缘体2的前端面。在本实施方式中，厚度变化部42的一部分位于沿轴线O的方向与中心电极3的肩部33重叠的位置处。
进一步优选的是，将突出部41和厚度变化部42之间的最小距离L设定为0.3mm以上(例如，L＝0.5mm)。当厚度变化部42以这种方式远离突起部41定位时，能够通过防止厚度变化部42干涉火焰核的成长，提供点火性能的改进。
在火花塞100中，如上所述，通过压制成型在接地电极4上形成柱状突起部41，从而面对贵金属电极头32。该突起部41起与设置在接地电极4上的贵金属电极头同样的功能。由此，能够提供点火性能的改善。还能够避免对于昂贵的贵金属电极头和激光焊接处理的需要，与利用激光焊接将贵金属电极头焊接至接地电极4的情况相比，能够大幅降低制造成本。
尽管如图1和图2所示，贵金属电极头32被设置在中心电极3上，但是中心电极3可以选择性地不具有贵金属电极头32，以进一步降低制造成本。在这种情况下，中心电极3和突起部41可以分别为直径为2.5mm和2.9mm的圆柱状。
如图3A和图3B所示，例如Pt合金等的贵金属电极头46能够进一步被设置在接地电极4的柱状突出部41上。与将贵金属电极头直接设置在无柱状突起部41的平坦的接地电极4的情况相比，该构造减小了所需的贵金属电极头体积(量)。因此不仅能够改善点火性能和耐久性，而且还降低了制造成本。贵金属电极头46和接地电极4的突起部41通过激光焊接接合在一起。更具体地，首先将贵金属电极头46放置在突起部41上。随后，利用激光照射突起部41和贵金属电极头46的交界，由此形成熔融部47，在该熔融部47中，突起部41的组成材料和贵金属电极头46的组成材料熔融在一起，以将突起部41和贵金属电极头46接合起来。这里进行如下定义：D1为贵金属电极头46的外径；L1为贵金属电极头46的高度；P为贵金属电极头46从熔融部47突起的突起高度；D2为突起部41的外径；L2为突起部41的高度。当贵金属电极头46的外径D1被设定为小于突起部41的外径D2时(D1＜D2)，能够在增强贵金属电极头46和突起部41的焊接强度的同时，提供点火性能的改善。另外，当贵金属电极头46的高度L1和贵金属电极头46从熔融部47突起的突起高度P中均被设定为大于突起部41的高度L2时(L1＞L2，P＞L2)，能够确保熔融部47的足够宽度，确保贵金属电极头46从熔融部47突起足够的突起高度P，由此能够提供点火性能和突起部41与贵金属电极头46的焊接强度的进一步改善。例如，贵金属电极头46的外径D1、贵金属电极头46的高度L1、贵金属电极头46从熔融部47突起的突起高度P、突起部41的外径D2和突起部41的高度L2可以分别被设定为0.7mm、0.6mm、0.4mm、1.2mm和0.3mm。
可选地，可以使用在底部具有凹部的贵金属电极头460，将柱状突起部41装配到贵金属电极头460的凹部中，如图4所示。如图5所示，可以选择性地使用中央部具有圆孔的环状贵金属电极头461，将柱状突起部41装配到贵金属电极头461的圆孔中。
此外，如上所述，厚度变化部42和最小曲率半径部43位于火花塞100的不同位置。利用该位置，在制造处理期间，当接地电极4被折曲为大致L状时，能够防止接地电极4折断，并且在成品被安装到汽车发动机等并被投入使用时，能够防止受外力或振动的作用而折断。
在通过压制成型在接地电极4上形成柱状突起部41的情况下，突起部周围的厚度减小，不可避免地在模压部和未模压部之间限定厚度变化部42。另一方面，在对接地电极4进行折曲时，接地电极4中的最小曲率半径部43受应力最大并且易于折断。如果最小曲率半径部43和厚度变化部42的位置彼此一致，则更有可能在接地电极4中发生折断。然而，当最小曲率半径部43和厚度变化部42的位置彼此不同时，能够防止接地电极4轻易地折断。
在本实施方式中，厚度变化部42位于接地电极4相对于最小曲率半径部43的前端侧，如图2所示。厚度变化部42可选地可以位于接地电极4相对于最小曲率半径部43的后端侧部(金属壳侧)，如图6所示。在这种情况下，优选的是，大厚度部44具有沿轴线O的方向位于陶瓷绝缘体2的前端的后方的前端角部44c(即，位于厚度变化部42和大厚度部44之间的角部)。进一步优选地，调节突起部41和贵金属电极头之间的间隙G1、大厚度部44的前端角部44c和陶瓷绝缘体2之间的间隙G2、以及大厚度部44的前端角部44c和中心电极3之间的沿陶瓷绝缘体2的表面方向的间隙G3，从而满足G2＜G1＜G3，由此允许大厚度部44的前端角部44c用作清洁用的表面放电部。
存在着如下情况，在压制成型处理期间，随着由加工硬化引起的接地电极4的硬度的增大，折曲接地电极4变得困难。如在本实施方式的情况那样，在折曲处理方面，优选地只在接地电极4的前端侧上执行压制成型处理，以便将除突出部41和小厚度部45之外的其他部分的硬度限制为低水平。
如图2所示，接地电极4的厚度变化部42的厚度逐渐且平滑变化，从而厚度变化部42沿轴线O的方向具有锥状(tapered)截面。与以阶梯的方式急剧地改变厚度的情况相比，通过平滑地改变厚度变化部42的厚度，能够防止接地电极4容易地折断。接地电极4可以可选地设置如下的厚度变化部42：厚度变化部42的厚度逐渐并平滑地改变，从而厚度变化部42沿轴线方向具有弯曲截面，如图7所示。
在通过压制成型在接地电极4上形成柱状突起部41和锥状厚度变化部42的情况下，可行的是，如图8所示，利用压模200模压接地电极4的前端侧，压模200具有与柱状突起部41对应的凹部和与锥状厚度变化部42对应的锥部，从而在将接地电极4焊接至金属壳1之后，同时形成柱状突起部41和锥状厚度变化部42。
在通过压制成型在接地电极4上形成柱状突起部41和弯曲的厚度变化部42的情况下，可行的是，如图9所示，利用压模300模压接地电极4的前端侧，压模300具有与柱状突起部41对应的凹部和与弯曲的厚度变化部42对应的弯曲部，从而在将接地电极4焊接至金属壳1之后，同时形成柱状突起部41和弯曲的厚度变化部42。
如上所述，通过在接地电极4上一体地压制成型柱状突起部41等，与激光焊接贵金属电极头的情况相比，能够在短时间内实现批量制造，大幅降低了制造成本。
存在着如下情况：在压制成型处理期间，由于加工硬化，接地电极4的硬度增大，从而使折曲变得困难，在这种情况下，可行的是，在压制成型处理之后对接地电极4进行退火，以使随后将接地电极4折曲为大致L状的处理变得容易。在被焊接至金属壳1之前对接地电极4进行退火时，只对接地电极4进行退火。这使得能够更高效地制造火花塞100，降低了制造成本。
尽管对柱状突起部41的形状没有特别限定，但是优选的是，突起部41沿垂直于轴线方向的方向具有0.1mm2至6.6mm2的截面积，以兼顾点火性能和耐久性两者。
例如，如图10至图15所示，可以对柱状突起部41进行各种变型。在图10的变形例中，圆柱状突起部410被形成在接地电极4的前端部上，接地电极4的前端的两侧角部被切掉。在将接地电极4加工为如图10所示的接地电极4的前端的两侧角部均被切掉的形状的情况下，优选的是，在接地电极4上压制成型突起部41之后执行这种成形加工。这允许接地电极4的前端部被加工为任何想要的形状。在图11的变形例中，在接地电极4的前端部上形成方形柱状突起部411。在图12的变形例中，在接地电极4的前端部上形成三角柱状突起部412。在图13的变形例中，在从接地电极4的前端边缘稍微向后的位置处形成星形柱状的突起部415。在图14的变形例中，在从接地电极4的前端边缘稍微向后的位置处形成椭圆形柱状突起部416。在图15的变形例中，在从接地电极4的前端边缘稍微向后的位置处形成在中央部具有圆形凹部的圆柱状突起部417。
另外，如图16所示，可以可选地使用具有接地电极主体404和埋设在电极主体404中的Cu或Cu合金的热传导增强构件(高热传导构件)500的接地电极400。接地电极热传导增强构件500从大厚度部444经过接地电极400的厚度变化部422延伸至小厚度部445上的突起部441的位置。当接地电极热传导增强构件500延伸至并存在于小厚度部445时，能够实现小厚度部445的有效热传导，并且限制突起部441和接合至突起部441的贵金属电极头446的消耗。另外，使接地电极热传导增强构件500的存在于小厚度部445中的部分545的厚度小于接地电极热传导增强构件500的存在于大厚度部444中的部分544的厚度。从而能够使由埋设高热传导构件500造成的对机械强度的降低最小化，不仅能确保有效热传导而且确保机械强度。
如上所述，本发明的火花塞100组合了良好的点火性能、经济性和耐久性。
尽管已经参考上面的具体实施方式对本发明进行了说明，但是本发明不限于这些典型实施方式。本领域的普通技术人员根据上面的教示可以对上面所述的实施方式进行各种修改和变型。