以日本特殊陶業株式會社為樣本研究火花塞結構的專利技術綜述

張偉建

摘要：本綜述主要介紹火花塞的點火原理及NGK火花塞的基本結構，對日本特殊陶業株式會社火花塞專利進行篩選及研究樣本，梳理日本特殊陶業株式火花塞專利技術研究方向，主要集中在中心電極、接地電極、絕緣體與金屬殼體及電極配合的尺寸、結構方面的申請。

關鍵詞：NGK火花塞;中心電極;接地電極;絕緣體;金屬殼體

第一章 火花塞原理和結構

汽油發動機是通過燃料和混合氣體的適時燃燒使之產生動力，但是作為燃料的汽油即使處于高溫環境下也很難自燃，要想使其適時燃燒有必要用“火”來點燃。在火花塞的中心電極和接地電極之間施加由點火裝置所產生的高電壓，由此電極間的絕緣狀態被破壞而產生電流，放電生成電火花。由電火花所引起的點火是通過電極之間的火花放電而使燃燒粒子活性化，產生化學反應（酸性），并發生熱效應，最終形成火焰核。該熱能使其周圍的混合氣活性化，最終形成以自身燃燒為中心向周邊擴大的火焰核，進而點燃內燃機內的混合氣體產生動力。

NKG火花塞基本結構具備：中心電極，絕緣體，具有軸孔，在該軸孔內的前端側設置有上述中心電極，大致筒狀的主體配件，配置在上述絕緣體的外周;接地電極，一端接合于上述主體配件的前端，另一端在與中心電極之間設置間隙而配置。在中心電極的前端從上述絕緣體的前端面突出的狀態下相對于主體配件保持絕緣。主體配件具有大致筒狀，形成為容納上述絕緣體并將其保持。在主體配件的前端方向的外周面上形成有螺紋部，火花塞利用該螺紋部安裝到內燃機的汽缸缸蓋。

第二章 日本特殊陶業株式會社在火花塞結構方面的專利技術介紹

NGK是1936年創立的日本特殊陶業株式會社的簡稱，為全球最大的火花塞生產商之一，近年來，隨著國內汽車行業的蓬勃發展，特別是豐田、本田等日系車在國內的持續暢銷，NGK火花塞在國內火花塞市場占有一定的市場份額， NGK公司近年來的專利主要集中在電極構造、絕緣體構造、電極材料、絕緣體材料四個方方面，下面將從這四個方面，對NGK火花塞進行技術介紹。在電極構造方面，通過對貴金屬端頭或電極端頭的形狀和尺寸進行設計以防止貴金屬端頭從電極母材上脫落（參見專利文獻CN108475899A，CN108292827A），通過在貴金屬端頭與電極母材之間設置中間構件及對焊接熔融部進行尺寸及形狀限定來提高貴金屬端頭與電極母材的接合強度（參見專利文獻CN108352680A，CN107925221A），通過對接地電極或中心電極進行多層構造及進行相應尺寸的限定來確保熱傳導及結構可靠性、耐蝕性（參見專利文獻CN107615604A，CN107210588A），通過對接地電極或中心電極進行形狀及尺寸限定來提高放電間隙的精度或點火效率（參見專利文獻CN107408796A），綜上所述，電極構造主要集中在提高整體放電電極的結構強度和點火效率方面;在絕緣體構造方面，通過限定絕緣體與金屬殼體之間的配合尺寸及相應的結構來確保火花塞的結構強度及提高火花塞的耐熱性及絕緣性（參見專利文獻CN108370133A，CN107634450A），通過限定絕緣體相對金屬殼體的突出部的尺寸來提高火花塞的引燃性能（參考專利文獻CN107689555A），通過對絕緣體與金屬殼體之間密封部件的尺寸、結構及組成進行限定來確保火花塞的絕緣性及結構強度（參考專利文獻CN107453207A，CN107508146A），通過對絕緣體與中心電極之間的配合尺寸、結構及之間的間隙、接觸層進行限定來確保火花塞的自清洗性及抑制電極的損耗等（參考專利文獻CN107534272A），綜上所述，絕緣體作為中線電極和金屬殼體之間的承載部件，其能夠影響到火花塞的絕緣體、結構強度、耐污損性等性能，因此也是NGK公司從絕緣體與金屬殼體和中心電極之間的配合進行了大量研究;在電極材料方面，電極母材以Ni為主體，貴金屬端頭以Pt為主進而含有Ni、Rh等元素，來提高中間件及熔融部的耐損耗性（參見專利文獻CN108429130A），通過設置Pt為主體的放電層和以Pt為主體的緩和層來抑制貴金屬端頭的剝離（參見專利文獻CN108346975A），在以Ni為主體的母材中添加稀土元素、Mn、Al或Cr來提高電極的耐耗性及抗氧化性（參見專利文獻CN107437725A），外層以鎳為主要成分，芯部包含由銅或者含有銅作為主要成分來提高電極的導熱性（參見專利文獻CN106415956A），可見，通過調整電極組成成分或各層的成分進而改善電極的耐耗性、耐剝離性及熱傳導性等;在絕緣體材料方面，絕緣體相對于所述絕緣體中含有的元素的氧化物換算時的合計質量含有90.0質量%～98.1質量%的Al2O3，氣孔率A為5%以下，以維持高溫環境下的耐電壓特性（參見專利文獻CN107026395A），氧化鋁燒結體以Al2O3為主成分并Si成分、Ba成分、Mg成分、Ca成分、Sr成分及稀土元素成分進行限定以維持在900℃的耐電壓特性（參見專利文獻CN106981824A），以氧化鋁為主要成分并且在自身的至少一部分包含莫來石以降低絕緣體破損的可能性（參見專利文獻CN106716753A），可見，通過調整火花塞絕緣體的組成成分以提高絕緣體的高溫耐高壓性及耐破損性。

第三章 總結

可以看出電極、絕緣體的專利申請量最多，主要是中心電極、接地電極、絕緣體與金屬殼體及電極配合的尺寸、結構的申請，NGK公司的專利都圍繞鉤型單電極的火花塞展開，對于多電極或多火花隙及帶輔助電極的火花塞沒有研究，在鉤型單電極火花塞領域研發比較深入，通過對各部件的尺寸、結構及形狀對火花塞的性能影響進行了大量研究，當然鉤型單電極也是目前市場最常見的火花塞類型，而國內目前火花塞相關的專利還主要集中在結構上，并未對尺寸或者形狀等比較細微的地方進行研究，這也與國內火花塞起步較晚、技術積累較少。

（作者單位：國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心）