以日本特殊陶业株式会社为样本研究火花塞结构的专利技术综述

张伟建

摘要：本综述主要介绍火花塞的点火原理及NGK火花塞的基本结构，对日本特殊陶业株式会社火花塞专利进行筛选及研究样本，梳理日本特殊陶业株式火花塞专利技术研究方向，主要集中在中心电极、接地电极、绝缘体与金属壳体及电极配合的尺寸、结构方面的申请。

关键词：NGK火花塞;中心电极;接地电极;绝缘体;金属壳体

第一章 火花塞原理和结构

汽油发动机是通过燃料和混合气体的适时燃烧使之产生动力，但是作为燃料的汽油即使处于高温环境下也很难自燃，要想使其适时燃烧有必要用“火”来点燃。在火花塞的中心电极和接地电极之间施加由点火装置所产生的高电压，由此电极间的绝缘状态被破坏而产生电流，放电生成电火花。由电火花所引起的点火是通过电极之间的火花放电而使燃烧粒子活性化，产生化学反应（酸性），并发生热效应，最终形成火焰核。该热能使其周围的混合气活性化，最终形成以自身燃烧为中心向周边扩大的火焰核，进而点燃内燃机内的混合气体产生动力。

NKG火花塞基本结构具备：中心电极，绝缘体，具有轴孔，在该轴孔内的前端侧设置有上述中心电极，大致筒状的主体配件，配置在上述绝缘体的外周;接地电极，一端接合于上述主体配件的前端，另一端在与中心电极之间设置间隙而配置。在中心电极的前端从上述绝缘体的前端面突出的状态下相对于主体配件保持绝缘。主体配件具有大致筒状，形成为容纳上述绝缘体并将其保持。在主体配件的前端方向的外周面上形成有螺纹部，火花塞利用该螺纹部安装到内燃机的汽缸缸盖。

第二章 日本特殊陶业株式会社在火花塞结构方面的专利技术介绍

NGK是1936年创立的日本特殊陶业株式会社的简称，为全球最大的火花塞生产商之一，近年来，随着国内汽车行业的蓬勃发展，特别是丰田、本田等日系车在国内的持续畅销，NGK火花塞在国内火花塞市场占有一定的市场份额， NGK公司近年来的专利主要集中在电极构造、绝缘体构造、电极材料、绝缘体材料四个方方面，下面将从这四个方面，对NGK火花塞进行技术介绍。在电极构造方面，通过对贵金属端头或电极端头的形状和尺寸进行设计以防止贵金属端头从电极母材上脱落（参见专利文献CN108475899A，CN108292827A），通过在贵金属端头与电极母材之间设置中间构件及对焊接熔融部进行尺寸及形状限定来提高贵金属端头与电极母材的接合强度（参见专利文献CN108352680A，CN107925221A），通过对接地电极或中心电极进行多层构造及进行相应尺寸的限定来确保热传导及结构可靠性、耐蚀性（参见专利文献CN107615604A，CN107210588A），通过对接地电极或中心电极进行形状及尺寸限定来提高放电间隙的精度或点火效率（参见专利文献CN107408796A），综上所述，电极构造主要集中在提高整体放电电极的结构强度和点火效率方面;在绝缘体构造方面，通过限定绝缘体与金属壳体之间的配合尺寸及相应的结构来确保火花塞的结构强度及提高火花塞的耐热性及绝缘性（参见专利文献CN108370133A，CN107634450A），通过限定绝缘体相对金属壳体的突出部的尺寸来提高火花塞的引燃性能（参考专利文献CN107689555A），通过对绝缘体与金属壳体之间密封部件的尺寸、结构及组成进行限定来确保火花塞的绝缘性及结构强度（参考专利文献CN107453207A，CN107508146A），通过对绝缘体与中心电极之间的配合尺寸、结构及之间的间隙、接触层进行限定来确保火花塞的自清洗性及抑制电极的损耗等（参考专利文献CN107534272A），综上所述，绝缘体作为中线电极和金属壳体之间的承载部件，其能够影响到火花塞的绝缘体、结构强度、耐污损性等性能，因此也是NGK公司从绝缘体与金属壳体和中心电极之间的配合进行了大量研究;在电极材料方面，电极母材以Ni为主体，贵金属端头以Pt为主进而含有Ni、Rh等元素，来提高中间件及熔融部的耐损耗性（参见专利文献CN108429130A），通过设置Pt为主体的放电层和以Pt为主体的缓和层来抑制贵金属端头的剥离（参见专利文献CN108346975A），在以Ni为主体的母材中添加稀土元素、Mn、Al或Cr来提高电极的耐耗性及抗氧化性（参见专利文献CN107437725A），外层以镍为主要成分，芯部包含由铜或者含有铜作为主要成分来提高电极的导热性（参见专利文献CN106415956A），可见，通过调整电极组成成分或各层的成分进而改善电极的耐耗性、耐剥离性及热传导性等;在绝缘体材料方面，绝缘体相对于所述绝缘体中含有的元素的氧化物换算时的合计质量含有90.0质量%～98.1质量%的Al2O3，气孔率A为5%以下，以维持高温环境下的耐电压特性（参见专利文献CN107026395A），氧化铝烧结体以Al2O3为主成分并Si成分、Ba成分、Mg成分、Ca成分、Sr成分及稀土元素成分进行限定以维持在900℃的耐电压特性（参见专利文献CN106981824A），以氧化铝为主要成分并且在自身的至少一部分包含莫来石以降低绝缘体破损的可能性（参见专利文献CN106716753A），可见，通过调整火花塞绝缘体的组成成分以提高绝缘体的高温耐高压性及耐破损性。

第三章 总结

可以看出电极、绝缘体的专利申请量最多，主要是中心电极、接地电极、绝缘体与金属壳体及电极配合的尺寸、结构的申请，NGK公司的专利都围绕钩型单电极的火花塞展开，对于多电极或多火花隙及带辅助电极的火花塞没有研究，在钩型单电极火花塞领域研发比较深入，通过对各部件的尺寸、结构及形状对火花塞的性能影响进行了大量研究，当然钩型单电极也是目前市场最常见的火花塞类型，而国内目前火花塞相关的专利还主要集中在结构上，并未对尺寸或者形状等比较细微的地方进行研究，这也与国内火花塞起步较晚、技術积累较少。

（作者单位：国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心）