火花塞.pdf

本发明更可靠地防止绝缘体的贯通且有效抑制热冲击造成的绝缘体的破裂。火花塞(1)具备主体配件(3)与筒状的绝缘子(2)，该绝缘子(2)配置于主体配件(3)的内周，且具有沿轴线(CL1)方向延伸的轴孔(4)，自身的前端位于比主体配件(3)的前端靠前端侧，从主体配件(3)的前端至绝缘子(2)的前端的沿轴线(CL1)的距离为0.5mm以上。设在通过主体配件(3)的内周面前端(3A)且与轴线(CL1)正交的剖面中的绝缘子的厚度为C，从绝缘子(2)的前端至轴线(CL1)方向后端侧的0.5mm的范围内的绝缘子(2)的体积为V时，满足C≥1.07mm及V≤3.9mm3。

权利要求书1.  一种火花塞，具备： 筒状的主体配件；及 筒状的绝缘体，配置于上述主体配件的内周且具有沿轴线方向延 伸的轴孔，该绝缘体自身的前端位于比上述主体配件的前端靠前端侧， 从上述主体配件的前端至上述绝缘体的前端的沿上述轴线的距离 为0.5mm以上， 所述火花塞的特征在于， 设在通过上述主体配件的内周面前端且与上述轴线正交的剖面 中，上述绝缘体的厚度为C， 从上述绝缘体的前端起向上述轴线方向后端侧的0.5mm的范围内 的上述绝缘体的体积为V时， 满足C≥1.07mm及V≤3.9mm3。 2.  根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于， 在上述范围内，上述绝缘体的沿与上述轴线正交的方向的厚度为 0.9mm以下。 3.  根据权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于， 具备插通于上述轴孔的中心电极， 设在上述范围内的上述中心电极的外周面与上述绝缘体的内周面 之间形成的间隙为第一间隙， 在上述剖面中的上述中心电极的外周面与上述绝缘体的内周面之 间形成的间隙为第二间隙时， 上述第一间隙的至少一部分比上述第二间隙大。 4.  根据权利要求1至3中任一项所述的火花塞，其特征在于， 在上述绝缘体的外周面中的位于比上述主体配件的前端靠前端侧 的面的包含上述轴线的剖面中的外形线具有切线通过上述绝缘体的前 端部的弯曲线。 5.  根据权利要求1至4中任一项所述的火花塞，其特征在于， 上述主体配件具有安装用的螺纹部， 上述螺纹部的螺纹径为M12以下。

说明书火花塞
技术领域
本发明涉及使用于内燃机等的火花塞。
背景技术
火花塞安装于内燃机(发动机)等，用于引燃燃烧室内的混合气等。 一般的火花塞具备：绝缘体，具有沿轴线方向延伸的轴孔；中心电极， 插通于上述轴孔的前端侧；主体配件，设置于上述绝缘体的外周；接 地电极，固定于主体配件的前端部。另外，在接地电极的前端部与中 心电极的前端部之间形成间隙，在中心电极(间隙)施加高电压，通过产 生火花放电来引燃混合气等。
另外在近年来，为了实现燃油经济性能的提高，提议了高压缩、 高增压发动机。这样的发动机的筒内压力较高，为了产生火花放电所 需的电压(放电电压)更大(例如37kV以上)。因此，在将用于产生火花 放电的电压施加到中心电极时，有在中心电极及主体配件间产生贯通 绝缘体的放电(贯通放电)，无法正常使火花放电发生的担忧。
因此，为了提高绝缘体的耐电压性能，提议了如下手法：在构成 为较薄壁且特别是贯通容易发生的绝缘体的前端部，增大其壁厚(例如 参照专利文献1等)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-243535号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在增厚绝缘体的前端部的情况下，在加热并冷却时，在绝 缘体的前端部产生大的热冲击，有在绝缘体产生破裂的担忧。特别是， 在燃料直接喷射到绝缘体的前端部的直喷发动机中，燃料导致绝缘体 骤冷，因此更担忧热冲击造成绝缘体的破裂。
本发明是鉴于上述情况完成的，其目的在于提供一种火花塞，能 够更可靠地防止绝缘体的贯通且有效抑制热冲击造成绝缘体的破裂。
用于解决课题的手段
以下，分项对适用于解决上述目的的各结构进行说明。此外，根 据需要给对应的结构附记特有的作用效果。
结构1.本结构的火花塞具备：
筒状的主体配件；及
筒状的绝缘体，配置于上述主体配件的内周且具有沿轴线方向延 伸的轴孔，该绝缘体自身的前端位于比上述主体配件的前端靠前端侧，
从上述主体配件的前端至上述绝缘体的前端的沿上述轴线的距离 为0.5mm以上，其特征在于，
设在通过上述主体配件的内周面前端且与上述轴线正交的剖面 中，上述绝缘体的厚度为C，
从上述绝缘体的前端起向上述轴线方向后端侧的0.5mm的范围内 的上述绝缘体的体积为V时，
满足C≥1.07mm及V≤3.9mm3。
根据上述结构1，绝缘体中的沿与轴线正交的方向的与主体配件的 内周面前端相对的部位的厚度C为1.07mm以上。即，在绝缘体中的与 电场强度高的部位相对的特别是容易发生贯通放电的部位，确保了足 够的壁厚。因此，能够确保良好的耐电压性能，能够更可靠地防止绝 缘体的贯通。
此外，根据上述结构1，在从绝缘体的前端起向轴线方向后端侧的 0.5mm的范围内的绝缘体(即，绝缘体中的特别是成为高温后骤冷，从 而容易产生由热冲击造成的破裂的部位)的体积V为3.9mm3以下。在 此，热冲击是在加热并冷却时在绝缘体的外表面侧与内部之间的热膨 胀量的不同而产生的应力导致的，通过使体积V为3.9mm3以下，能够 使上述应力变得充分小。其结果，能够有效抑制热冲击造成的绝缘体 的破裂。
结构2.本结构的火花塞根据结构1中所述的火花塞，其特征在于， 在上述范围内，上述绝缘体的沿与上述轴线正交的方向的厚度为0.9mm 以下。
根据上述结构2，在加热并冷却时，能够使上述应力进一步降低。 由此，能够非常有效地抑制热冲击造成的绝缘体的破裂。
结构3.本结构的火花塞根据结构1或2中所述的火花塞，其特征 在于，具备插通于上述轴孔的中心电极，
设在上述范围内的上述中心电极的外周面与上述绝缘体的内周面 之间形成的间隙为第一间隙，
在上述剖面中的上述中心电极的外周面与上述绝缘体的内周面之 间形成的间隙为第二间隙时，
上述第一间隙的至少一部分比上述第二间隙大。
根据上述结构3，在上述范围内设置中心电极的外周面与绝缘体的 内周面之间形成的较大的间隙即第一间隙。因此，能够使绝缘体的内 周面从中心电极的外周面隔离，能够抑制因从中心电极散热而导致的 绝缘体的内周面侧的骤冷。其结果，能够进一步减小上述应力，能够 进一步提高绝缘体的耐热冲击性。
结构4.本结构的火花塞根据结构1至3中任一项所述的火花塞， 其特征在于，在上述绝缘体的外周面中的位于比上述主体配件的前端 靠前端侧的面的包含上述轴线的剖面中的外形线具有切线通过上述绝 缘体的前端部的弯曲线。
并且，“切线通过绝缘体的前端部的弯曲线”是指朝向轴线侧、斜 前端侧、斜后端侧凸起的弯曲线。
根据上述结构4，绝缘体的前端部的形状为朝向其内周面侧凹陷。 因此，能够容易使体积V为3.9mm3，能够更可靠地发挥上述结构1等 起到的作用效果(抑制热冲击造成的绝缘体的破裂的效果)。
另外，根据上述结构4，能够使绝缘体的前端部的表面积增大。其 结果，能够更可靠地防止中心电极及主体配件间的产生在绝缘体的表 面的异常放电的发生，能够提高引燃稳定性。
结构5.本结构的火花塞根据结构1至4中任一项所述的火花塞， 其特征在于，上述主体配件具有安装用的螺纹部，
上述螺纹部的螺纹径为M12以下。
近年来，为了实现火花塞的小型化(小径化)，采取主体配件小径化， 且配置于主体配件的内周的绝缘体也采取小径化，绝缘体为薄壁。这 样的薄壁的绝缘体的耐电压性能较低，更容易发生贯通放电。
在这一点上，如上述结构5，在螺纹部的螺纹径为M12以下的火 花塞中，特别担忧贯通放电的发生，但采用上述结构1等，厚度C为 1.07mm以上，从而能够更可靠地防止贯通放电的发生。换言之，上述 结构1等对螺纹部的螺纹径为M12以下且更容易发生贯通放电的火花 塞特别有效。
附图说明
图1是表示火花塞的结构的局部剖切主视图。
图2是表示火花塞的前端部的结构的局部剖切放大主视图。
图3是表示其他实施方式的火花塞前端部的结构的局部剖切主视 图。
图4(a)、(b)是表示其他实施方式的火花塞前端部的结构的局部剖 切主视图。
图5(a)是表示其他实施方式的火花塞前端部的结构的局部剖切主 视图，(b)是表示绝缘子的前端部的外形线等的放大剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对一实施方式进行说明。图1是表示火花塞1的 局部剖切主视图。并且，在图1中，将火花塞1的轴线CL1方向作为 图面的上下方向，将下侧作为火花塞1的前端侧，将上侧作为后端侧 进行说明。
火花塞1由筒状绝缘体的绝缘子2和保持绝缘子2的筒状的主体 配件3等构成。
众所周知，绝缘子2通过烧结氧化铝等而形成，在其外形部具备： 形成于后端侧的后端侧主体部10；在比该后端侧主体部10靠前端侧沿 直径方向向外突出形成的大径部11；在比该大径部11靠前端侧形成为 比其细径的中间主体部12；和在比该中间主体部12靠前端侧形成为比 其更细径的长腿部13。另外，在中间主体部12与长腿部13的连接部 形成锥形的台阶部14，绝缘子2通过台阶部14卡定于主体配件3。
此外，绝缘子2中的大径部11、中间主体部12及大部分的长腿 部13容纳于主体配件3的内部。另一方面，绝缘子2的前端位于比主 体配件3的前端靠前端侧，如图2所示，从主体配件3的前端至绝缘 子2的前端的沿轴线CL1的距离L为0.5mm以上。
回到图1，在绝缘子2中沿着轴线CL1方向贯通形成有轴孔4， 在该轴孔4的前端侧插入设置中心电极5。该中心电极5由内层5A和 外层5B构成，其中，内层5A由导热性优异的金属〔例如，铜、铜合 金、纯镍(Ni)等〕构成，外层5B由以Ni为主成分的合金构成。另外， 中心电极5整体形成为棒状(圆柱状)并从绝缘子2的前端突出。进一步， 在中心电极5的前端部接合由耐消耗性优异的金属〔例如以铱(Ir)、铂 (Pt)、銠(Rh)、钌(Ru)、铼(Re)、钨(W)、钯(Pd)或这些中的至少一种为 主成分的合金等〕构成的圆柱状的中心电极侧端头31。
另外，在轴孔4的后端侧，以从绝缘子2的后端突出的状态插入 并固定端子电极6。
进一步，在轴孔4的中心电极5与端子电极6之间配置有圆柱状 的电阻体7。该电阻体7的两端部经由导电性的玻璃密封层8、9分别 与中心电极5和端子电极6电连接。
此外，上述主体配件3由低碳钢等金属形成为筒状，在其外周面 形成用于将火花塞1安装到内燃机等的安装孔的螺纹部(外螺纹部)15。 另外，在比螺纹部15靠后端侧形成凸缘状的基座部16，在螺纹部15 后端的螺纹颈17嵌入环状的衬垫18。并且，在主体配件3的后端侧设 置有在将主体配件3安装到内燃机等时用于卡合扳手等工具的剖面六 边形的工具卡合部19，且在主体配件3的后端部设置有用于保持绝缘 子2的压紧部20。并且，本实施方式中，为了实现火花塞1的小型化(小 径化)，采取主体配件3小径化，螺纹部15的螺纹径为M12以下。
另外，在主体配件3的内周面设置用于卡定绝缘子2的锥形的台 阶部21。并且，绝缘子2相对于主体配件3从其后端侧向前端侧插入， 以自身的台阶部14卡定于主体配件3的台阶部21的状态下，通过将 主体配件3的后端侧开口部向径向内侧压紧，即通过形成上述压紧部 20，被固定到主体配件3。并且，在台阶部14、21间介入圆环状的密 封片22。由此，保持燃烧室内的气密性，以使进入到暴露于燃烧室内 的绝缘子2的长腿部13与主体配件3的内周面之间的间隙中的燃料气 体不泄露到外部。
进一步，为了使压紧产生的密闭更完善，在主体配件3的后端侧， 在主体配件3与绝缘子2间介入环状的环构件23、24，在环构件23、 24间填充有滑石(talc)25的粉末。即，主体配件3通过密封片22、环构 件23、24及滑石25来保持绝缘子2。
另外，在主体配件3的前端部26接合有棒状的接地电极27，其 自身的中间部分被弯折，其前端侧侧面与中心电极5的前端部相对。 进一步，在接地电极27中的与中心电极5(中心电极侧端头31)的前端 面相对的部位接合由耐消耗性优异的金属(例如以Ir、Pt、Rh、Ru、Re、 W、Pd或这些中的至少一种为主成分的合金等)构成的圆柱状的接地电 极侧端头32。并且，在中心电极5的前端部(中心电极侧端头31)与接 地电极27的前端部(接地电极侧端头32)之间形成间隙33，通过在间隙 33施加电压，能够产生火花放电。
进一步，在本实施方式中，如图2所示，在通过主体配件3的内 周面前端3A的与轴线CL1正交的剖面中，设绝缘子2的厚度为C时， 以满足C≥1.07mm的方式构成。
并且，长腿部13仅具备外径为固定的部位及向轴线CL1方向前 端侧外径变小的部位，绝缘子2中的比上述厚度C的测定对象部分靠 后端侧的部位具有比厚度C大的厚度。
另外，在本实施方式中，为了防止中心电极5与主体配件3之间 的产生在绝缘子2的表面的异常放电(所谓侧火花、闪络)的发生，设从 主体配件3的内周面前端3A至绝缘子2的外周面的沿着与轴线CL1 正交的方向的距离为A(mm)，间隙33的大小为G(mm)时，以满足G<A 的方式构成。即，在本实施方式中，使厚度C为充分大，且绝缘子2 中的从上述厚度C的测定对象部分至主体配件3的内周面前端3A的距 离A比间隙33的大小G足够大。
进一步，在本实施方式中，长腿部13的从主体配件3的前端突出 的部位13A的倾斜角度(更详细而言，在包含轴线CL1的剖面中，上述 部位的外形线与平行于上述轴线的直线所成角中的锐角的角度)比长腿 部13的比上述部位13A靠后端侧的部位的倾斜角度大。由此，设从绝 缘子2的前端起向轴线CL1方向后端侧的0.5mm的范围(图2中，标记 散点图案的部位)RA内的绝缘子2的体积为V时，满足V≤3.9mm3。
另外，在上述范围RA内，绝缘子2的沿着与轴线CL1正交的方 向的厚度(最大厚度)T为0.9mm以下。
如上所述，根据本实施方式，在绝缘子2中的与主体配件3的内 周面前端3A(电场强度高的部位)相对的、特别是容易发生贯通放电的 部位，其厚度C为1.07mm以上。因此，能够确保良好的耐电压性能， 能够更可靠地防止绝缘子2的贯通。
特别在本实施方式中，螺纹部15的螺纹径为M12以下，特别有 贯通放电发生的担忧，但由于厚度C为1.07mm以上，因此能够更可 靠地防止贯通放电的发生。
此外，范围RA内的绝缘子2的体积V为3.9mm3以下，因此能够 使由于绝缘子2的外表面侧与内部之间的热膨胀量的不同而产生的应 力充分小。其结果，能够有效抑制热冲击造成的绝缘子2的破裂。
另外，厚度T为0.9mm以下，因此能够使上述应力进一步降低。 由此，能够更有效地抑制热冲击造成的绝缘子2的破裂。
接着，为了确认由上述实施方式起到的作用效果，制作各种各样 变更了绝缘子的厚度C(mm)的火花塞的样品，对各样品进行耐电压性 能评价试验。耐电压性能评价试验的概要如下。即，将样品安装到排 气量1.6L、直喷T/C发动机上，以使上述发动机从油门开度50％动作 至全开作为一次循环，进行了50次循环。并且，在上述发动机的动作 条件中，对中心电极施加最大45kV左右的电压。并且，在50次循环 结束后，确认了在绝缘子是否产生伴随施加电压的贯通。在此，确认 了绝缘子的贯通的样品作为耐电压性能不充分而给予“×”的评价，另 一方面，没有确认绝缘子的贯通的样品作为具有优异的耐电压性能而 给予“○”的评价。表1示出了该试验的结果。
[表1]
No. 厚度C(mm) 评价 1 0.87 × 2 0.92 × 3 0.97 × 4 1.02 × 5 1.07 ○ 6 1.12 ○ 7 1.17 ○
如表1所示，确认了厚度C为1.07mm以上的样品(样品5～7)具有 优异的耐电压性能。认为这是因为，在绝缘子中的与主体配件的内周 面前端(电场强度高的部位)相对的、特别是容易发生贯通放电的部位， 确保了充分的壁厚。
接着，制作各种各样变更了体积V(mm3)的火花塞的样品，对各样 品进行耐热冲击性评价试验。
耐热冲击性评价试验的概要如下。
即，将样品安装到预定的水冷室，通过预定的燃烧器来加热样品 的前端部(包含绝缘子的前端部)，直至中心电极的前端部达到850℃为 止，在停止通过燃烧器的加热后紧接着通过预定的喷雾阀对样品的前 端部喷射水。
这样以加热并骤冷样品的前端部(绝缘子的前端部)为一个循环进 行20次循环，在20次循环结束后，确认是否在绝缘子的前端部是否 产生破裂。
在此，确认在绝缘子的前端部破裂的样品作为耐热冲击性差而给 予“×”的评价，另一方面，没有确认破裂的样品作为具有良好的耐热 冲击性而给予“○”的评价。
表2示出了该试验的试验结果。
[表2]
No. 体积V(mm3) 评价 11 1.96 ○ 12 3.26 ○ 13 3.54 ○ 14 3.56 ○ 15 3.77 ○ 16 3.84 ○ 17 3.90 ○ 18 4.14 × 19 4.44 × 20 4.76 × 21 5.08 ×
如表2所示，可以清楚体积V为3.9mm3以下的样品(样品11～17) 具有良好的耐冲击性。我们认为这是因为，在骤冷时，绝缘子的外表 面侧与内部之间的热膨胀量不同而产生应力，体积V为3.9mm3以下， 从而使上述应力变得充分小。
根据上述两试验的结果，在绝缘子中，从防止该贯通并确保良好 的耐热冲击性的观点看，优选以满足C≥1.07mm及V≤3.9mm3的方式 构成。
接着，在使体积V大致相等的基础上，制作各种各样使在从绝缘 子的前端起向轴线方向后端侧的0.5mm的范围内，绝缘子的沿与轴线 正交的方向的厚度(最大厚度)T(mm)不同的火花塞的样品，对各样品进 行上述的耐热冲击性评价试验。并且，在本试验中，将样品的前端部(绝 缘子的前端部)的加热并骤冷进行了50次循环。并且，在50次循环结 束后，没有确认绝缘子的前端部的破裂的样品作为具有极优异的耐热 冲击性而给予“◎”的评价。表3示出了该试验的结果。
[表3]
No. 体积V(mm3) 厚度T(mm) 评价 31 3.84 0.97 ○ 32 3.87 0.90 ◎
如表3所示，可知厚度T为0.9mm以下的样品(样品32)的耐热冲 击性极优异。我们认为这是因为，通过厚度T为0.9mm以下，绝缘子 的外表面侧与内部之间的热膨胀量的不同而产生的应力变得非常小。
根据上述试验的结果，为了实现绝缘子的耐热冲击性的进一步提 高，可以说更优选在从绝缘子的前端起向轴线方向后端侧的0.5mm的 范围内，绝缘子的沿与轴线正交的方向的厚度T为0.9mm以下。
并且，不限定于上述实施方式的记载内容，例如也可以按如下方 式实施。当然，也可以是以下未例示的其他的应用例、变更例。
(a)在上述实施方式中，为了满足V≤3.9mm3，长腿部13中的从主 体配件3的前端突出的部位13A的倾斜角度比长腿部13中的比上述部 位13A靠后端侧的部位的倾斜角度大。对此，如图3所示，也可以使 绝缘子2的外周面中的位于比主体配件3的前端靠前端侧的面的包含 轴线CL1的剖面中的外形线OL的曲率半径为较大来满足V≤3.9mm3的结构。
(b)在上述实施方式中，轴孔4的前端部以具有大致固定的内径的 方式构成，但如图4(a)、(b)所示，也可以使轴孔4的前端较大径，从 而在上述范围RA中的中心电极5的外周面与绝缘子2的内周面之间形 成第一间隙SP1，且第一间隙SP1的至少一部分比第二间隙(在通过主 体配件3的内周面前端3A且与轴线CL1正交的剖面中，在中心电极5 的外周面与绝缘子2的内周面之间形成的间隙)SP2大。在该情况下， 容易使体积V为3.9mm3以下。另外，在第一间隙SP1所在的范围内， 能够使绝缘子2的内周面从中心电极5的外周面隔离，能够抑制因从 中心电极5散热而引起的绝缘子2的内周面的骤冷。其结果，能够进 一步减小上述应力，能够进一步提高绝缘子2的耐热冲击性。
并且，为了使绝缘子2的耐热冲击性更可靠地提高，优选使第一 间隙SP1的最大值(在图4中，从绝缘子2的内周面前端至中心电极5 的外周面的沿与轴线CL1正交的方向的距离)为0.25mm以上。另外， 也可以通过减小中心电极5的前端部的外径来形成第一间隙。
(c)如图5(a)所示，也可以是以通过使绝缘子2的前端部外径较小 来满足V≤3.9mm3的方式构成。另外，在该情况下，如图5(b)所示， 也可以是以在绝缘子2的外周面中的位于比主体配件3的前端靠前端 侧的面的包含轴线CL1的剖面中的外形线OL存在弯曲线RL的方式构 成，其中，弯曲线RL是切线TL通过绝缘子2的前端部。通过这样构 成，能够使绝缘子2的前端部的表面积增大，能够更可靠地防止中心 电极5及主体配件3间的产生在绝缘子2的表面的异常放电的发生。
(d)在上述实施方式中，设置了中心电极侧端头31及接地电极侧端 头32，但也可以省略至少一方。
(e)上述实施方式的火花塞1是通过在间隙33产生火花放电来引燃 混合气等，但能够适用本发明的技术思想的火花塞并不限定于此。因 此，例如也可以对通过在间隙投入交流电流，在间隙产生等离子体， 通过产生的等离子体来引燃混合气等的等离子体火花塞适用本发明的 技术思想。
(f)在上述实施方式中，火花塞1的螺纹部15的螺纹径为M12以 下，但对螺纹部15的螺纹径比M12大的火花塞也能够适用本发明的技 术思想。
(g)在上述实施方式中，对在主体配件3的前端部26接合接地电极 27的情况进行了具体化，但也可以适用于削出主体配件的一部分(或预 先焊接到主体配件的前端配件的一部分)的方式来形成接地电极的情况 (例如，日本特开2006-236906号公报等)。
(h)在上述实施方式中，工具卡合部19为剖面六边形，但工具卡合 部19的形状并不限定于这样的形状。也可以是例如Bi-HEX(变形12 边)形状〔ISO22977：2005(E)〕等。
标号说明
1…火花塞，2…绝缘子，3…主体配件，3A…(主体配件的)内周面 前端，4…轴孔，5…中心电极，15…螺纹部，CL1…轴线，OL…(绝缘 子的)外形线，RL…弯曲线，SP1…第一间隙，SP2…第二间隙，TL… 切线。