带有锥化内点火抑制器密封件的火花塞转让专利
申请号 : CN200780022359.7
文献号 : CN101473133B
文献日 : 2010-09-29
发明人 : 约翰·W·霍夫曼 , 詹姆斯·D·吕科瓦基
申请人 : 费德罗-莫格尔公司
摘要 :
一种用于火花引燃内燃发动机的火花塞(10)，包括设置于上部线头接柱(46)和下部中央电极(60)之间的抑制器密封封隔(54)。该抑制器密封封隔(54)包括环绕该线头接柱(46)的底部末端(50)的导电玻璃(52)的顶部层，以及环绕该中央电极(60)的头部(62)的底部玻璃密封层(58)。电阻层(56)填充导电玻璃层(52，58)之间的空间。该电阻层(56)在其上部末端具有较大的第一横截面积(76)以及在其下部末端具有较小的第二横截面积(78)。渐小的锥部(80)在该较大和较小横截面积(76，78)之间建立逐渐过渡部，并设置于肩部区域内，该区域是理论参考点(70)和理论参考点(68)之间的纵向尺度。
权利要求 :
1.一种用于火花引燃内燃发动机的火花塞，所述火花塞包括：
狭长的陶瓷绝缘体，其具有上部终止端、下部鼻端、以及在所述终止端和鼻端之间纵向延伸的中央通道；
所述绝缘体包括外表面，其表现为临近所述终止端的大体上圆形的大肩部，以及临近所述鼻端的大体上圆形的小肩部，所述大肩部直径大于所述小肩部直径，并且进一步包括在所述大肩部和小肩部的不同直径之间的圆角过渡部；
导电外壳，其环绕所述绝缘体至少一部分，所述导电外壳包括至少一个接地电极；
导电线头接柱，其部分设置于所述中央通道内，并从暴露的顶部端柱向嵌入所述中央通道的底部末端纵向延伸；
导电中央电极，其部分设置于所述中央通道内，并在置入所述中央通道内的头部以及临近所述接地电极的暴露的火花端头之间纵向延伸，所述头部在所述中央通道内与所述线头接柱的所述底部末端纵向地间隔开；
抑制器密封封隔，其设置于所述中央通道内，并将所述中央电极的所述头部电连接到所述线头接柱的所述底部末端，以用于在二者之间导电，同时密封所述中央通道，并抑制从所述火花塞发射的射频噪声，所述抑制器密封封隔在所述线头接柱的所述底部末端具有第一横截面积，并在所述中央电极的所述头部具有第二横截面积，所述第一横截面积大于所述第二横截面积；以及所述抑制器密封封隔包括渐缩的锥部，用于从较大的所述第一横截面积逐渐过渡到较小的所述第二横截面积，所述渐缩的锥部纵向地位于一个区域内，该区域的最上部界限由所述线头接柱的所述底部末端限定，以及其最下部界限由所述圆角过渡部限定。
2.根据权利要求1所述的火花塞，其中所述外壳包括上部和下部受压凸缘，其受压地分别与所述绝缘体的所述大肩部和小肩部相接触，以将所述绝缘体受压地设置在所述大肩部和小肩部之间。
3.根据权利要求1所述的火花塞，其中所述渐缩的锥部具有大致上圆锥形的侧壁，其相对垂直参考线所成的角度大于或等于60°。
4.根据权利要求3所述的火花塞，其中所述渐缩的锥部纵向地设置于所述大肩部和所述圆角过渡部之间。
5.根据权利要求1所述的火花塞，其中所述抑制器密封封隔包括上部和下部导电玻璃末端，其分别与所述线头接柱的所述底部末端以及所述中央电极的所述头部相接触。
6.根据权利要求1所述的火花塞，其中所述抑制器密封封隔具有一个基底，其纵向地设置于所述圆角过渡部和所述小肩部之间。
7.根据权利要求1所述的火花塞，其中所述中央通道包括用于容置所述中央电极的所述头部的内部凸耳。
8.根据权利要求7所述的火花塞，其中所述凸耳纵向地设置于所述小肩部和所述圆角过渡部之间。
9.根据权利要求1所述的火花塞，其中所述中央电极的所述头部具有大致上柱状的外壁，其在0.040至0.070英寸的范围内限定纵向的头部厚度。
10.根据权利要求1所述的火花塞，其中所述中央电极包括一整块的一体结构，其在所述头部和该火花塞的所述火花端头之间延伸。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种用于火花引燃内燃发动机的火花塞，更具体地，有关一种在上部线头接柱和下部中央电极之间具有内点火抑制器密封封隔(fired-in suppressor seal pack)的火花塞。
背景技术
火花塞是一种延伸入内燃机燃烧室内并产生火花以引燃燃料、空气混合物的装置。在操作中，通过火花塞中央电极应用高达约40,000伏特的电量，从而产生火花以跳过中央电极和相对的接地电极之间间隙。
电磁干扰(EMI)，也被熟知为射频干扰(RFI)，在火花间隙之间放电时产生。该现象是由于初始击穿该间隙时以及再次点火时的极短时间的高频率、高电流震荡而导致的。该EMI或RFI可干扰广播网、对讲机、电视、数字数据传输或任何形式的电子通讯。例如，在一种无线电中，每当火花塞点火时，该EMI或RFI会在音频中产生通常称为“爆音”(popping)的噪声。点火EMI常常是一种妨害，并且在极端情况下可产生性能和安全相关的故障。
可通过不同方法控制或抑制由火花内燃机产生的不同水平的EMI。通常，通过使用阻抗型火花塞、阻抗型引燃导线、以及在次级高压引燃电路内的电感部件来完成对引燃系统自身的EMI抑制。用于抑制EMI的一种通常类型的电阻/抑制器火花塞包括在位于上部线头接柱和下部中央电极之间的陶瓷绝缘体内设置内部电阻元件。尽管内部电阻/抑制器火花塞设计是熟知的，但考虑到实用却不能使电阻结合到小尺寸火花塞内，例如应用在小发动机等之内的火花塞。在汽车应用中，对紧凑发动机的当前趋势进一步使该问题复杂化，因其需要更小的火花塞，并具有更为增强的性能属性。具体地，绝缘体内部电阻所需的大横截面积通过精确地在绝缘体的区域内(经常在装配和组装过程中被高度压迫)产生薄壁部分，而削弱了陶瓷材料的结构完整性。当松散的、颗粒状的电阻材料被冷压到绝缘体内，并之后热压以产生所谓“内点火抑制器密封”封隔时，该结构完整性的削弱也是一个需考虑的问题。例如，薄壁部分容易爆裂，尤其是在冷压操作过程中。
当试图减小此类型火花塞的尺寸时，由在薄的部分的绝缘体的电容率的减弱会产生另一个需考虑的问题。具体地，陶瓷绝缘体是一种电介质。介电强度通常定义为在不导致击破(break down)或电击穿(electricalpuncture)时，可施加到该材料的最大电场强度。因此，陶瓷绝缘体的薄的横截面可导致在带电中央电极和接地外壳之间的介电击穿。
现有技术已认识到此问题，并在授予Pollner、公告日为2002年4月30日的美国专利No.6,380,664中提出了一种解决方案。该现有技术结构的一种表现形式如本发明图4所示。具体地，Pollner专利利用一种锥体形成火花塞的电阻部分，以减小其朝向中央电极的横截面积。尽管该结构具有某些优点，但其在应用中存在局限。例如，Pollner专利需要一由两块中央电极组成的组件，具体地，一种预成型(pre-trimmed)的由贵金属制成的下部部分，该下部保持为与一个上部接触稍(contact pin)端对端(end-to-end)靠接。该端对端配置尤其在靠接接触点处易受震荡干扰影响。另外，Pollner专利中接触稍的缺陷设计在热压组装操作过程中容易发生翘曲。进一步地，由绝缘体的芯鼻投向中央电极端部的距离由在密封件内的中央电极的所在位置建立。在Pollner专利的示例中，通过在该芯鼻内一个台阶上、但不在电阻封隔的密封部分内设置下部中央电极，从而控制投射距离。因此，这可能带来与密封件和该中央电极设置相关的完整性问题。它还增加了通过陶瓷绝缘体纵向延伸的中央通道的几何复杂性。在该设计中还增加了加工复杂性。再进一步地，Pollner专利教导了沿接触稍长度的一部分进行密封的需要，该部分位于绝缘体鼻部内的贵金属中央电极和金属接触稍的较大直径头部之间。我们从Pollner专利对起源性现有技术(progenitor priorart)的引用可获知，沿接触稍长度的一部分的这种密封通过利用经过硼化作用(boronization)、铝化作用(aluminization)、硝化作用(nitration)或硅化作用(siliconization)等的特殊涂覆而实现，以产生气密结(gas-tight bond)。还考虑了绝缘体内贵金属中央电极的类似的原位烧结(insitu sintering)。容易理解，施加到接触稍和/或中央电极的该特殊的涂覆工艺耗费人力并增加了成本。在Pollner专利中，由于其火花塞的有问题的结构，需要达到充分的气压密封。
因此，需要一种在火花塞的绝缘部分内部整合电阻和密封封隔的改进的方法，例如，在上部线头接柱和下部中央电极之间，其中在所有应用中，尤其是在用于小发动机等要求火花塞几何尺寸最小化的应用中，可保持结构完整性和陶瓷绝缘体的介电强度。
电磁干扰(EMI)，也被熟知为射频干扰(RFI)，在火花间隙之间放电时产生。该现象是由于初始击穿该间隙时以及再次点火时的极短时间的高频率、高电流震荡而导致的。该EMI或RFI可干扰广播网、对讲机、电视、数字数据传输或任何形式的电子通讯。例如，在一种无线电中，每当火花塞点火时，该EMI或RFI会在音频中产生通常称为“爆音”(popping)的噪声。点火EMI常常是一种妨害，并且在极端情况下可产生性能和安全相关的故障。
可通过不同方法控制或抑制由火花内燃机产生的不同水平的EMI。通常，通过使用阻抗型火花塞、阻抗型引燃导线、以及在次级高压引燃电路内的电感部件来完成对引燃系统自身的EMI抑制。用于抑制EMI的一种通常类型的电阻/抑制器火花塞包括在位于上部线头接柱和下部中央电极之间的陶瓷绝缘体内设置内部电阻元件。尽管内部电阻/抑制器火花塞设计是熟知的，但考虑到实用却不能使电阻结合到小尺寸火花塞内，例如应用在小发动机等之内的火花塞。在汽车应用中，对紧凑发动机的当前趋势进一步使该问题复杂化，因其需要更小的火花塞，并具有更为增强的性能属性。具体地，绝缘体内部电阻所需的大横截面积通过精确地在绝缘体的区域内(经常在装配和组装过程中被高度压迫)产生薄壁部分，而削弱了陶瓷材料的结构完整性。当松散的、颗粒状的电阻材料被冷压到绝缘体内，并之后热压以产生所谓“内点火抑制器密封”封隔时，该结构完整性的削弱也是一个需考虑的问题。例如，薄壁部分容易爆裂，尤其是在冷压操作过程中。
当试图减小此类型火花塞的尺寸时，由在薄的部分的绝缘体的电容率的减弱会产生另一个需考虑的问题。具体地，陶瓷绝缘体是一种电介质。介电强度通常定义为在不导致击破(break down)或电击穿(electricalpuncture)时，可施加到该材料的最大电场强度。因此，陶瓷绝缘体的薄的横截面可导致在带电中央电极和接地外壳之间的介电击穿。
现有技术已认识到此问题，并在授予Pollner、公告日为2002年4月30日的美国专利No.6,380,664中提出了一种解决方案。该现有技术结构的一种表现形式如本发明图4所示。具体地，Pollner专利利用一种锥体形成火花塞的电阻部分，以减小其朝向中央电极的横截面积。尽管该结构具有某些优点，但其在应用中存在局限。例如，Pollner专利需要一由两块中央电极组成的组件，具体地，一种预成型(pre-trimmed)的由贵金属制成的下部部分，该下部保持为与一个上部接触稍(contact pin)端对端(end-to-end)靠接。该端对端配置尤其在靠接接触点处易受震荡干扰影响。另外，Pollner专利中接触稍的缺陷设计在热压组装操作过程中容易发生翘曲。进一步地，由绝缘体的芯鼻投向中央电极端部的距离由在密封件内的中央电极的所在位置建立。在Pollner专利的示例中，通过在该芯鼻内一个台阶上、但不在电阻封隔的密封部分内设置下部中央电极，从而控制投射距离。因此，这可能带来与密封件和该中央电极设置相关的完整性问题。它还增加了通过陶瓷绝缘体纵向延伸的中央通道的几何复杂性。在该设计中还增加了加工复杂性。再进一步地，Pollner专利教导了沿接触稍长度的一部分进行密封的需要，该部分位于绝缘体鼻部内的贵金属中央电极和金属接触稍的较大直径头部之间。我们从Pollner专利对起源性现有技术(progenitor priorart)的引用可获知，沿接触稍长度的一部分的这种密封通过利用经过硼化作用(boronization)、铝化作用(aluminization)、硝化作用(nitration)或硅化作用(siliconization)等的特殊涂覆而实现，以产生气密结(gas-tight bond)。还考虑了绝缘体内贵金属中央电极的类似的原位烧结(insitu sintering)。容易理解，施加到接触稍和/或中央电极的该特殊的涂覆工艺耗费人力并增加了成本。在Pollner专利中，由于其火花塞的有问题的结构，需要达到充分的气压密封。
因此，需要一种在火花塞的绝缘部分内部整合电阻和密封封隔的改进的方法，例如，在上部线头接柱和下部中央电极之间，其中在所有应用中，尤其是在用于小发动机等要求火花塞几何尺寸最小化的应用中，可保持结构完整性和陶瓷绝缘体的介电强度。
发明内容
本发明通过提供一种用于火花引燃内燃机的火花塞克服了现有技术的劣势和缺点。本发明的火花塞包括狭长的陶瓷绝缘体，其具有上部终止端、下部鼻端、以及在该终止端和鼻端之间纵向延伸的中央通道。该绝缘体包括外表面，其表现为临近该终止端的大体上圆形的大肩部，以及临近该鼻端的大体上圆形的小肩部，该大肩部具有大于该小肩部直径的直径。在该偏大和偏小肩部的不同直径之间建立有圆角过渡部，作为绝缘体外表面的特征。导电外壳环绕所述绝缘体至少一部分。该外壳包括至少一个接地电极。导电线头接柱部分设置于该中央通道内，并从暴露的顶部端柱向嵌入该中央通道的底部末端纵向延伸。导电中央电极部分设置于该中央通道内，并在置入所述中央通道内的头部以及临近该接地电极的暴露的火花端头之间纵向延伸。该中央电极的头部在该中央通道内与该线头接柱的底部末端纵向地间隔开。抑制器密封封隔设置于该中央通道内，并将该中央电极的头部电连接到该线头接柱的底部末端，以用于在二者之间导电，同时密封中央通道，并抑制从火花塞发射的射频噪声。该抑制器密封封隔在该线头接柱的底部末端具有第一横截面积并在该中央电极的头部具有第二横截面积。该第一横截面积大于该第二横截面积。另外，该抑制器密封封隔包括渐小的锥部，用于从该较大的第一横截面积逐渐过渡到该较小的第二横截面积，该渐小的锥部纵向地设置于一个区域内，该区域的最上部界限由该线头接柱的底部末端限定，以及其最下部界限由该圆角过渡部限定。
通过将该渐小锥部设于该线头接柱的底部末端和该圆角过渡部之间的区域内，本发明确保了陶瓷绝缘体的结构完整性，并且还最大化了介电强度。通过将该抑制器密封封隔的较大第一横截面积限制到绝缘体具有最大横截厚度的区域而实现该目的。因为绝缘体的圆角过渡部勾画出绝缘体的壁厚度严格限制的区域，本发明得益于在圆角过渡部上方限定该抑制器密封封隔的较大的第一横截面积。另外，申请人已经发现，通过在抑制器密封封隔的电阻部分内设置该锥部，可达到加强的EMI抑制。实际上，由该锥部实现的横截面积的减小增加了该封隔的有效阻抗，同时不要求材料属性的改变。因此，克服了作为对照的现有技术的火花塞内所发现的缺点和劣势。
通过将该渐小锥部设于该线头接柱的底部末端和该圆角过渡部之间的区域内，本发明确保了陶瓷绝缘体的结构完整性，并且还最大化了介电强度。通过将该抑制器密封封隔的较大第一横截面积限制到绝缘体具有最大横截厚度的区域而实现该目的。因为绝缘体的圆角过渡部勾画出绝缘体的壁厚度严格限制的区域，本发明得益于在圆角过渡部上方限定该抑制器密封封隔的较大的第一横截面积。另外，申请人已经发现，通过在抑制器密封封隔的电阻部分内设置该锥部，可达到加强的EMI抑制。实际上，由该锥部实现的横截面积的减小增加了该封隔的有效阻抗，同时不要求材料属性的改变。因此，克服了作为对照的现有技术的火花塞内所发现的缺点和劣势。
附图说明
结合以下具体描述和附图，本发明的上述优点将会被更容易地理解，其中：
图1是根据本发明的火花塞组件的横截面视图，其在上部线头接柱和下部中央电极之间整合有抑制器密封封隔，该下部中央电极具有设置于圆角过渡部上方区域内的渐小锥部；
图2A-D以简化的形式描绘了在下部中央电极和上部线头接柱之间形成内点火抑制器密封封隔的顺次的方法，该方法首先利用用于分层抑制器密封封隔的合适颗粒状材料填充中央通道，然后捣实各层，将该线头接柱冷压置位，以及最后利用该线头接柱热压该分层封隔；
图3是根据本发明的火花塞下部部分的横截面视图，描绘了重要的多个尺度关系；
图4是根据现有技术的火花塞下部部分的横截面视图，为用于与图3比较表明了多个尺度关系。
图1是根据本发明的火花塞组件的横截面视图，其在上部线头接柱和下部中央电极之间整合有抑制器密封封隔，该下部中央电极具有设置于圆角过渡部上方区域内的渐小锥部；
图2A-D以简化的形式描绘了在下部中央电极和上部线头接柱之间形成内点火抑制器密封封隔的顺次的方法，该方法首先利用用于分层抑制器密封封隔的合适颗粒状材料填充中央通道，然后捣实各层，将该线头接柱冷压置位，以及最后利用该线头接柱热压该分层封隔；
图3是根据本发明的火花塞下部部分的横截面视图，描绘了重要的多个尺度关系；
图4是根据现有技术的火花塞下部部分的横截面视图，为用于与图3比较表明了多个尺度关系。
具体实施方式
参考附图，其中多个视图中相同的标号代表相同或相应的部件。根据本发明的火花塞在图1中显示为10。火花塞10包括管状的陶瓷绝缘体，用12表示，其优选地由氧化铝陶瓷或其它具有特定介电强度、高机械强度、以及出色耐热冲击的合适材料形成。绝缘体12可在极端压力下成型干燥，然后在高温下窑烧(kiln-fired)以玻璃化。但是，本领域的技术人员应当理解，可使用干压和烧结之外的其它方法以形成绝缘体12。绝缘体12具有外部表面，其优选地利用无铅材料对其暴露部分进行光亮化处理，例如授予Knapp的美国专利No.5,677,250所披露，公告日为1997年10月14日，并转让给本发明的受让人。绝缘体12可包括部分暴露的上部立柱(mast)部分14，橡胶火花套管(图未示)环绕并夹紧该部分，以建立与点火系统的连接。图1中显示的暴露部分14显示为大致上平滑的表面，但可包括较传统的凸肋(rib)，以用于提供对抗火花或次级电压“飞弧(flash-over)”的附加保护，以及更好地增加与橡胶火花塞套管的紧密贴合。紧接立柱部分14之下的是大肩部16，由该大肩部16，绝缘体12的横截面直径扩大到其最大宽度。该大肩部16在大致为管状的上部座17下伸展。进一步地在绝缘体12下方，一小肩部18使绝缘部外径减至锥形鼻部20。该小肩部18在大致为管状的下部座19内终止。鼻端22建立绝缘体12的最底部分，其中终止端24建立在立柱部分14顶部形成的绝缘体12的完全相对的最上部末端。圆角过渡部26是绝缘体12的外表面特征，形成于大肩部16和小肩部18之间。圆角过渡部26提供从大肩部16的较大绝缘体直径到小肩部18的较小直径的平滑变化。
绝缘体12大致为管状构造，包括在上部终止端24和下部鼻端22之间纵向延伸的中央通道28。中央通道28具有变化的横截面积，大致上在终止端24或其附近最大，在鼻端22或其附近最小。
一导电的优选为金属的外壳总体以30表示。该外壳30环绕绝缘体12的下部区域，并包括至少一个接地电极32。尽管图中接地电极32描绘为传统的单个J形形式，但可以理解，可根据火花塞10的实际需要，替换成多个接地电极，或者圆形接地电极，或任何其它已知的配置。
外壳30的主体部分大致为管状，并包括适于承受绝缘体12的下部座19挤压接触的内侧的下部受压凸缘34。外壳30进一步包括上部受压凸缘36，其在该组件操作期间弯曲或变形，以承受绝缘体12的上部座17的挤压接触。上部受压凸缘36变形过程中或其后，在巨大的压迫力影响之下，变形区域38发生弯曲，以将外壳30相对绝缘体12保持在固定位置。可在绝缘体12和外壳30之间的结合点插入垫圈、粘合剂或其它密封复合物，以完善气密效果，并提高组装的火花塞10的结构完整性。因此，在组装后，外壳30在上部和下部受迫凸缘36、34之间保持为具有张力，而绝缘体12在上部座17和下部座19之间保持为受压。这在绝缘体12和外壳30之间产生了安全、气密的永久固定。虽然图1中描绘的密封类型是所谓的“热锁(hot lock)”类型，但本领域的技术人员应当理解，在某些高效的应用中，可使用备选的sillment类密封。
外壳30进一步包括容置工具的六角体40，其用于去除和安装目的。该六角尺寸符合用于相关应用的行业标准。紧接座44之下，在金属外壳30的下部部分形成螺纹部分42。座44可以被锥化，以在针对此种类型的火花塞的汽缸头部内提供一紧公差(close tolerance)的安装，或者提供垫圈(图未示)以提供火花塞安装于气缸头部内的合适接口。
导电线头接柱46部分地设置于绝缘体12的中央通道28内，并从暴露的顶部端柱(top post)48纵向延伸到沿中央通道28部分路径嵌入的底部末端50。顶部端柱48连接到引燃线(图未示)并接收点燃火花塞10所需的高压电的定时放电。
线头接柱46的底部末端50嵌入导电玻璃密封件52内，该玻璃密封件52形成组合抑制器密封封隔或组件(总体以54表示)的顶部层。为确保热压过程中用于玻璃流动的充分间隙，绕绝缘壁提供约0.005”的径向间隙。该导电的玻璃密封件52用于在中央通道28内密封线头接柱46的底部末端50，同时从线头接柱46到电阻层56通电。电阻层56包括3-层抑制器密封封隔54的中央层，其可由任何已知可降低电磁干扰(EMI)的适合组合物形成。抑制器玻璃密封件包括玻璃、填料、和碳/含碳材料，并使其组成比例保证受压时合适的阻抗，以及在其使用寿命期间提供稳定的阻抗。根据选用的安装以及所用引燃系统的类型，该电阻层56可设计为用作较传统的电阻抑制器，或备选地作为电感抑制器。紧接电阻层56下方，另一个导电玻璃密封件58建立该抑制器密封封隔54的底部，或下部层。该导电玻璃可如本行业所熟知那样，由质量比约为1:1的玻璃和铜金属粉末混合物制成。因此，电流从线头接柱46的底部末端50，通过顶部层导电玻璃密封件52，通过电阻层56，并到达下部导电玻璃密封层58内。
导电中央电极60部分设置于中央通道28内，并从设于下部玻璃密封层58内的头部62纵向延伸至临近接地电极32的暴露火花端头64。由此，中央电极60的头部62在中央通道28内纵向地从线头接柱46的底部末端50分隔开。抑制器密封封隔54电互连线头接柱46和中央电极60，同时密封中央通道28以防止内燃气体泄漏，并且还抑制了从火花塞10发射的射频噪声。如图所示，中央电极60优选地是整块的一体结构，其在嵌入玻璃密封件58内的头部62和相对中央电极的火花端头64之间持续不间断地延伸。火花端头64可以利用或不利用已知可增强工作寿命的贵金属末端安装。本发明的一个优点是，与现有技术设计的需要相比，中央电极60不需要全由同性质贵金属制成。
现参考图2A-D，图解显示了用于在中央通道28内安装抑制器密封封隔54的一种优选方法。根据本发明的优选实施方式，抑制器密封封隔54是内点火(fired-in)类型，其中各个层52、56、58在填充操作中被分别铺设，如图2A所示。具体地，如图2A所示，烧结的绝缘体12装载中央电极60。接下来，组成下部导电玻璃密封层58的测定量的颗粒状材料被倒入中央通道28内，直接位于中央电极60的头部62上。其后，这种松散填充的下部玻璃密封层58利用柱塞66被捣实至优选地大于20kpsi的紧凑压强。紧接该捣实的玻璃密封层58的是组成电阻层56的测定量的颗粒状材料，其同样被捣实成紧凑形式，以达到均一的密度；最好是以两次填入形式铺设该电阻层，每次填充后捣实。最后，在电阻层56的顶部上装载测定量的颗粒状导电玻璃密封材料，并组成顶部层导电玻璃密封件52。顶部层52捣实至特定密度，如图2B所示。
一旦这些颗粒状材料被装载入中央通道28，线头接柱46沿中央通道28受压向下，冷压该颗粒状材料，如图2C所示。然后将半成品的组件转移至热压操作，如图2D所示。此处，绝缘体12，与经冷压的抑制器密封封装54一起，被加热至使颗粒状物质52、56、58软化和熔化的温度。该加热的组件从熔炉中取出，并且促使线头接柱46朝向完全被占据的位置，在该位置其顶部端柱48闭合中央通道28的开口。在该操作中，下部导电玻璃密封层58的软化的材料绕中央电极60的头部62流动，并密封头部62区域内的中央通道28。类似地，线头接柱46的底部末端50形成为完全嵌入导电玻璃密封52的顶部层，由此将其固定到位，同时密封中央通道28以防止内燃气体泄漏。利用该方法，抑制器密封封隔54可形成耐用、经济、并在抑制射频噪声放射和密封中央通道28以防止内燃气体泄漏方面有效的内点火类型。
现参考图3，显示了火花塞10下部部分的放大视图，包括与本发明有关的多个尺度和几何关系。这些尺度关系包括抑制器密封封隔有效长度SL，其可定义为在线头接柱46的底部末端50和中央电极60的头部62之间的纵向距离。在一个示例性的实施方式中，密封长度SL可约为0.50英寸，但也可使用其它长度。头部厚度HT可定义为中央电极头部62的柱状外壁部分的纵向度量。优选地，头部厚度HT被最小化，以容许用于抑制器密封封隔的更大长度以及由此带来的更高效率。该优选实施方式中的头部厚度HT可典型地在从0.040-0.070英寸的范围内。但如果头部厚度HT太薄，例如，0.025”，则可能导致密封不利以及不期望的随时间变化的阻抗。
头部间隙HC可定义为头部62的外部柱状壁与中央通道28的环绕部分之间的径向间隙空间。典型地，将头部间隙HC尺寸设计为在热压操作过程中能够增进良好的流动以及能够对下部玻璃密封层58的填充，如图2C所示。在该优选的实施方式中，头部间隙HC最少为0.005英寸。
其它显著的尺度对于绝缘体12的外部特征可能是关键的。例如，大肩部16可由立柱部分14和一个角状表面之间的理论上的交叉部68在纵向方向上设置，该角状表面由上部座17形成其上部界限，并由圆角过渡部26形成其下部界限。具体地，圆角过渡部26在理论上的交叉部70处被限定，该理论上的交叉部70在从大肩部16向内锥化的外表面以及形成小肩部18的外表面的大致上直的、柄状(shank-like)的部分之间。由此，小肩部18设置在圆角过渡参考点70和理论上的交叉部72之间，该理论上的交叉部72在下部座19的锥化部分和鼻部20之间。由此，大肩部部分LS(表示大肩部16的长度)限定为参考点68和70之间的纵向区域，而小肩部部分SS(表示小肩部18的长度)限定为参考点70和72之间的纵向区域。
中央电极头部62的底部边缘设置在中央通道28内的内部凸耳74上。内部凸耳74建立一至较小横截面直径的过渡，该直径大致等于中央电极60的直的、柱状长度加上适中间隙。内部凸耳74还与抑制器密封封隔54的最低延伸距离、或者其底部相等。内部凸耳74可成形为凸起或圆弧轮廓，以配合头部62对应成形的下表面，并由此最优化了气密密封座，同时在冷压操作过程中不引入额外的应力到绝缘体12材料内(图2C)。
尺度“A”定义为在小肩部参考点72和中央电极62底部所处的内部凸耳74之间的纵向度量。当中央电极头部62纵向地设置于小肩部参考点72和圆角过渡部参考点70之间时，产生正的“A”尺度(+A)。当内部凸耳74设置于小肩部参考点72和绝缘体12的鼻端22之间时，产生负的“A”尺度(-A)。如图1及3所示，本发明的火花塞设计为包括正的“A”尺度(+A)。这与图4中所示的现有技术设计相反，其“A”尺度为负的(-A)。其结果是，现有技术的绝缘体显著较弱，并由于其中央通道和鼻部之间减小的壁厚度，从而在冷压操作期间更容易破裂。
本发明的抑制器密封封隔54为锥形种类型，最优地如图3中显示，其包括在线头接柱46底部末端50的第一横截面积76，以及在临近中央电极60头部62的第二横截面积78。第一横截面积76的直径稍大于线头接柱46的直径。类似地，第二横截面积78的直径稍大于中央电极头部62的直径。如图所示，第一横截面积76大于第二横截面积78，由此，当绝缘体12的厚度由大肩部部分LS减小至小肩部部分SS时，允许抑制器密封封隔54直径的减小，以及相应的中央通道28直径的减小。渐缩锥部80被提供以逐渐从较大的第一横截面积76到较小的第二横截面积78过渡。该渐小锥部80纵向设置，从而它位于绝缘体12的区域最适合吸收在冷压操作过程中施加到该配置的额外应力。可调节渐缩锥部80的精确位置，以适合特定的应用需要，但优选地限制在一个区域，该区域的最上部界限或范围由线头接柱的底部末端50限定，而最下部界限或范围由圆角过渡部26的位置70限定。由此，渐缩锥部80完全位于大肩部部分LS内。通过此种策略，防止了较大的第一横截面积76被移动到与小肩部部分SS相配合的绝缘体12较小直径的区域内。其结果是，保持了绝缘体12的壁厚度，从而保持了结构完整性并在绝缘体12最脆弱的区域(例如，在头部厚度HT的区域内)内最大化了其介电属性。
渐小的锥部80可采用多种几何配置，但其在该优选的实施方式中显示为具有直的、圆锥形的侧壁。注意到冷压操作过程中扩张力施加到中央通道28上(图2C)，渐缩锥部80具有相当陡的锥角TA，其定义为圆锥形侧壁和垂直参考线(径向)之间的角度度量，如图3所示。该陡锥角被有意设置为大于或等于60°，以在填充操作过程中提供良好的粉末流动(图2A)，并有利于在冷压和热压操作过程中的紧凑性(图2C和2D)。该陡锥角增强了填充操作过程中的“密相输送(mass flow)”，从而提升了填充和紧凑性。通过容许装置设计为用于较大的凿孔以精确输送粉末，这也简化了制造。现有技术中小凿孔的不利之处在于粉末输送装置和相关设备必须被修正，以确保所有粉末均输送到凿孔。本发明的设计消除了这些困难。陡锥角还有助于在冷压过程中引导柱塞66和线头接柱46。
除了最大化绝缘体12强度和介电属性之外，锥化的抑制器密封封隔54还加强了围绕中央电极端头62建立的密封的气密质量。更具体地，在图2D中所描绘的热压操作过程中，施加到熔融层52、56、58上的力集中在头部间隙HC的减小的区域内。这导致了在头部间隙HC的间隙空间内对熔融下部玻璃密封层58的高压压迫，以及对内部凸耳74的紧致抵靠，头部62的下侧位于该凸耳74上。其结果是，中央通道28在操作中被持久密封，以防止内燃气体泄漏。
本发明的锥化抑制器密封封隔54的另一个好处在于其允许使用较大的直径、因此更耐用的线头接柱46。在很多应用中，包括小发动机的应用，有倾向于使用所谓“线圈式火花塞(coil-on-plug)”设计的趋势，其中重的引燃线圈被直接支撑在火花塞10的顶部。这些重的设计在线头接柱46上施加了明显较大的扭曲应力，通过使用较大直径的材料可更好地承受该应力。小发动机的应用，例如用于草坪或园艺的动力工具，众所周知地可产生高频震荡，该高频震荡可通过该更耐用的线头接柱46而被更好地抵御。本发明的锥化抑制器密封封隔54确保了使用该较大直径的线头接柱46，同时不损害结构完整性以及绝缘体在其较脆弱的小肩部部分SS和孔部分20内的介电属性。并且该较大直径线头接柱46在热压操作过程中不易弯曲。相反，现有技术类型的小直径线头接柱在热压过程中趋于软化和弯曲，由此减少了输送到玻璃封隔的装载，并由此压迫绝缘体。
明显地，根据上述教导，本发明的许多修正和变型是可能的。因此，应当理解，在后附权利要求的范围内，本发明可以不同于具体描述的其他形式实施。
绝缘体12大致为管状构造，包括在上部终止端24和下部鼻端22之间纵向延伸的中央通道28。中央通道28具有变化的横截面积，大致上在终止端24或其附近最大，在鼻端22或其附近最小。
一导电的优选为金属的外壳总体以30表示。该外壳30环绕绝缘体12的下部区域，并包括至少一个接地电极32。尽管图中接地电极32描绘为传统的单个J形形式，但可以理解，可根据火花塞10的实际需要，替换成多个接地电极，或者圆形接地电极，或任何其它已知的配置。
外壳30的主体部分大致为管状，并包括适于承受绝缘体12的下部座19挤压接触的内侧的下部受压凸缘34。外壳30进一步包括上部受压凸缘36，其在该组件操作期间弯曲或变形，以承受绝缘体12的上部座17的挤压接触。上部受压凸缘36变形过程中或其后，在巨大的压迫力影响之下，变形区域38发生弯曲，以将外壳30相对绝缘体12保持在固定位置。可在绝缘体12和外壳30之间的结合点插入垫圈、粘合剂或其它密封复合物，以完善气密效果，并提高组装的火花塞10的结构完整性。因此，在组装后，外壳30在上部和下部受迫凸缘36、34之间保持为具有张力，而绝缘体12在上部座17和下部座19之间保持为受压。这在绝缘体12和外壳30之间产生了安全、气密的永久固定。虽然图1中描绘的密封类型是所谓的“热锁(hot lock)”类型，但本领域的技术人员应当理解，在某些高效的应用中，可使用备选的sillment类密封。
外壳30进一步包括容置工具的六角体40，其用于去除和安装目的。该六角尺寸符合用于相关应用的行业标准。紧接座44之下，在金属外壳30的下部部分形成螺纹部分42。座44可以被锥化，以在针对此种类型的火花塞的汽缸头部内提供一紧公差(close tolerance)的安装，或者提供垫圈(图未示)以提供火花塞安装于气缸头部内的合适接口。
导电线头接柱46部分地设置于绝缘体12的中央通道28内，并从暴露的顶部端柱(top post)48纵向延伸到沿中央通道28部分路径嵌入的底部末端50。顶部端柱48连接到引燃线(图未示)并接收点燃火花塞10所需的高压电的定时放电。
线头接柱46的底部末端50嵌入导电玻璃密封件52内，该玻璃密封件52形成组合抑制器密封封隔或组件(总体以54表示)的顶部层。为确保热压过程中用于玻璃流动的充分间隙，绕绝缘壁提供约0.005”的径向间隙。该导电的玻璃密封件52用于在中央通道28内密封线头接柱46的底部末端50，同时从线头接柱46到电阻层56通电。电阻层56包括3-层抑制器密封封隔54的中央层，其可由任何已知可降低电磁干扰(EMI)的适合组合物形成。抑制器玻璃密封件包括玻璃、填料、和碳/含碳材料，并使其组成比例保证受压时合适的阻抗，以及在其使用寿命期间提供稳定的阻抗。根据选用的安装以及所用引燃系统的类型，该电阻层56可设计为用作较传统的电阻抑制器，或备选地作为电感抑制器。紧接电阻层56下方，另一个导电玻璃密封件58建立该抑制器密封封隔54的底部，或下部层。该导电玻璃可如本行业所熟知那样，由质量比约为1:1的玻璃和铜金属粉末混合物制成。因此，电流从线头接柱46的底部末端50，通过顶部层导电玻璃密封件52，通过电阻层56，并到达下部导电玻璃密封层58内。
导电中央电极60部分设置于中央通道28内，并从设于下部玻璃密封层58内的头部62纵向延伸至临近接地电极32的暴露火花端头64。由此，中央电极60的头部62在中央通道28内纵向地从线头接柱46的底部末端50分隔开。抑制器密封封隔54电互连线头接柱46和中央电极60，同时密封中央通道28以防止内燃气体泄漏，并且还抑制了从火花塞10发射的射频噪声。如图所示，中央电极60优选地是整块的一体结构，其在嵌入玻璃密封件58内的头部62和相对中央电极的火花端头64之间持续不间断地延伸。火花端头64可以利用或不利用已知可增强工作寿命的贵金属末端安装。本发明的一个优点是，与现有技术设计的需要相比，中央电极60不需要全由同性质贵金属制成。
现参考图2A-D，图解显示了用于在中央通道28内安装抑制器密封封隔54的一种优选方法。根据本发明的优选实施方式，抑制器密封封隔54是内点火(fired-in)类型，其中各个层52、56、58在填充操作中被分别铺设，如图2A所示。具体地，如图2A所示，烧结的绝缘体12装载中央电极60。接下来，组成下部导电玻璃密封层58的测定量的颗粒状材料被倒入中央通道28内，直接位于中央电极60的头部62上。其后，这种松散填充的下部玻璃密封层58利用柱塞66被捣实至优选地大于20kpsi的紧凑压强。紧接该捣实的玻璃密封层58的是组成电阻层56的测定量的颗粒状材料，其同样被捣实成紧凑形式，以达到均一的密度；最好是以两次填入形式铺设该电阻层，每次填充后捣实。最后，在电阻层56的顶部上装载测定量的颗粒状导电玻璃密封材料，并组成顶部层导电玻璃密封件52。顶部层52捣实至特定密度，如图2B所示。
一旦这些颗粒状材料被装载入中央通道28，线头接柱46沿中央通道28受压向下，冷压该颗粒状材料，如图2C所示。然后将半成品的组件转移至热压操作，如图2D所示。此处，绝缘体12，与经冷压的抑制器密封封装54一起，被加热至使颗粒状物质52、56、58软化和熔化的温度。该加热的组件从熔炉中取出，并且促使线头接柱46朝向完全被占据的位置，在该位置其顶部端柱48闭合中央通道28的开口。在该操作中，下部导电玻璃密封层58的软化的材料绕中央电极60的头部62流动，并密封头部62区域内的中央通道28。类似地，线头接柱46的底部末端50形成为完全嵌入导电玻璃密封52的顶部层，由此将其固定到位，同时密封中央通道28以防止内燃气体泄漏。利用该方法，抑制器密封封隔54可形成耐用、经济、并在抑制射频噪声放射和密封中央通道28以防止内燃气体泄漏方面有效的内点火类型。
现参考图3，显示了火花塞10下部部分的放大视图，包括与本发明有关的多个尺度和几何关系。这些尺度关系包括抑制器密封封隔有效长度SL，其可定义为在线头接柱46的底部末端50和中央电极60的头部62之间的纵向距离。在一个示例性的实施方式中，密封长度SL可约为0.50英寸，但也可使用其它长度。头部厚度HT可定义为中央电极头部62的柱状外壁部分的纵向度量。优选地，头部厚度HT被最小化，以容许用于抑制器密封封隔的更大长度以及由此带来的更高效率。该优选实施方式中的头部厚度HT可典型地在从0.040-0.070英寸的范围内。但如果头部厚度HT太薄，例如，0.025”，则可能导致密封不利以及不期望的随时间变化的阻抗。
头部间隙HC可定义为头部62的外部柱状壁与中央通道28的环绕部分之间的径向间隙空间。典型地，将头部间隙HC尺寸设计为在热压操作过程中能够增进良好的流动以及能够对下部玻璃密封层58的填充，如图2C所示。在该优选的实施方式中，头部间隙HC最少为0.005英寸。
其它显著的尺度对于绝缘体12的外部特征可能是关键的。例如，大肩部16可由立柱部分14和一个角状表面之间的理论上的交叉部68在纵向方向上设置，该角状表面由上部座17形成其上部界限，并由圆角过渡部26形成其下部界限。具体地，圆角过渡部26在理论上的交叉部70处被限定，该理论上的交叉部70在从大肩部16向内锥化的外表面以及形成小肩部18的外表面的大致上直的、柄状(shank-like)的部分之间。由此，小肩部18设置在圆角过渡参考点70和理论上的交叉部72之间，该理论上的交叉部72在下部座19的锥化部分和鼻部20之间。由此，大肩部部分LS(表示大肩部16的长度)限定为参考点68和70之间的纵向区域，而小肩部部分SS(表示小肩部18的长度)限定为参考点70和72之间的纵向区域。
中央电极头部62的底部边缘设置在中央通道28内的内部凸耳74上。内部凸耳74建立一至较小横截面直径的过渡，该直径大致等于中央电极60的直的、柱状长度加上适中间隙。内部凸耳74还与抑制器密封封隔54的最低延伸距离、或者其底部相等。内部凸耳74可成形为凸起或圆弧轮廓，以配合头部62对应成形的下表面，并由此最优化了气密密封座，同时在冷压操作过程中不引入额外的应力到绝缘体12材料内(图2C)。
尺度“A”定义为在小肩部参考点72和中央电极62底部所处的内部凸耳74之间的纵向度量。当中央电极头部62纵向地设置于小肩部参考点72和圆角过渡部参考点70之间时，产生正的“A”尺度(+A)。当内部凸耳74设置于小肩部参考点72和绝缘体12的鼻端22之间时，产生负的“A”尺度(-A)。如图1及3所示，本发明的火花塞设计为包括正的“A”尺度(+A)。这与图4中所示的现有技术设计相反，其“A”尺度为负的(-A)。其结果是，现有技术的绝缘体显著较弱，并由于其中央通道和鼻部之间减小的壁厚度，从而在冷压操作期间更容易破裂。
本发明的抑制器密封封隔54为锥形种类型，最优地如图3中显示，其包括在线头接柱46底部末端50的第一横截面积76，以及在临近中央电极60头部62的第二横截面积78。第一横截面积76的直径稍大于线头接柱46的直径。类似地，第二横截面积78的直径稍大于中央电极头部62的直径。如图所示，第一横截面积76大于第二横截面积78，由此，当绝缘体12的厚度由大肩部部分LS减小至小肩部部分SS时，允许抑制器密封封隔54直径的减小，以及相应的中央通道28直径的减小。渐缩锥部80被提供以逐渐从较大的第一横截面积76到较小的第二横截面积78过渡。该渐小锥部80纵向设置，从而它位于绝缘体12的区域最适合吸收在冷压操作过程中施加到该配置的额外应力。可调节渐缩锥部80的精确位置，以适合特定的应用需要，但优选地限制在一个区域，该区域的最上部界限或范围由线头接柱的底部末端50限定，而最下部界限或范围由圆角过渡部26的位置70限定。由此，渐缩锥部80完全位于大肩部部分LS内。通过此种策略，防止了较大的第一横截面积76被移动到与小肩部部分SS相配合的绝缘体12较小直径的区域内。其结果是，保持了绝缘体12的壁厚度，从而保持了结构完整性并在绝缘体12最脆弱的区域(例如，在头部厚度HT的区域内)内最大化了其介电属性。
渐小的锥部80可采用多种几何配置，但其在该优选的实施方式中显示为具有直的、圆锥形的侧壁。注意到冷压操作过程中扩张力施加到中央通道28上(图2C)，渐缩锥部80具有相当陡的锥角TA，其定义为圆锥形侧壁和垂直参考线(径向)之间的角度度量，如图3所示。该陡锥角被有意设置为大于或等于60°，以在填充操作过程中提供良好的粉末流动(图2A)，并有利于在冷压和热压操作过程中的紧凑性(图2C和2D)。该陡锥角增强了填充操作过程中的“密相输送(mass flow)”，从而提升了填充和紧凑性。通过容许装置设计为用于较大的凿孔以精确输送粉末，这也简化了制造。现有技术中小凿孔的不利之处在于粉末输送装置和相关设备必须被修正，以确保所有粉末均输送到凿孔。本发明的设计消除了这些困难。陡锥角还有助于在冷压过程中引导柱塞66和线头接柱46。
除了最大化绝缘体12强度和介电属性之外，锥化的抑制器密封封隔54还加强了围绕中央电极端头62建立的密封的气密质量。更具体地，在图2D中所描绘的热压操作过程中，施加到熔融层52、56、58上的力集中在头部间隙HC的减小的区域内。这导致了在头部间隙HC的间隙空间内对熔融下部玻璃密封层58的高压压迫，以及对内部凸耳74的紧致抵靠，头部62的下侧位于该凸耳74上。其结果是，中央通道28在操作中被持久密封，以防止内燃气体泄漏。
本发明的锥化抑制器密封封隔54的另一个好处在于其允许使用较大的直径、因此更耐用的线头接柱46。在很多应用中，包括小发动机的应用，有倾向于使用所谓“线圈式火花塞(coil-on-plug)”设计的趋势，其中重的引燃线圈被直接支撑在火花塞10的顶部。这些重的设计在线头接柱46上施加了明显较大的扭曲应力，通过使用较大直径的材料可更好地承受该应力。小发动机的应用，例如用于草坪或园艺的动力工具，众所周知地可产生高频震荡，该高频震荡可通过该更耐用的线头接柱46而被更好地抵御。本发明的锥化抑制器密封封隔54确保了使用该较大直径的线头接柱46，同时不损害结构完整性以及绝缘体在其较脆弱的小肩部部分SS和孔部分20内的介电属性。并且该较大直径线头接柱46在热压操作过程中不易弯曲。相反，现有技术类型的小直径线头接柱在热压过程中趋于软化和弯曲，由此减少了输送到玻璃封隔的装载，并由此压迫绝缘体。
明显地，根据上述教导，本发明的许多修正和变型是可能的。因此，应当理解，在后附权利要求的范围内，本发明可以不同于具体描述的其他形式实施。