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陶瓷电极,其点火装置及其构造方法

阅读:437发布:2021-02-25

IPRDB可以提供陶瓷电极,其点火装置及其构造方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本发明提供一种火花塞,其中心电极及其构造方法。该火花塞具有在终端与鼻端之间延伸的大致环状的陶瓷绝缘体。围绕陶瓷绝缘体的至少一部分的导电外壳,具有接地电极点火表面的接地电极可操作地连接至该外壳。伸长的中心电极具有在相对末端之间延伸的本体,其中该本体是压紧和烧结的导电或半导电的陶瓷材料。电极末端中的一端具有中心电极点火表面,从而在中心电极点火表面与接地电极点火表面之间形成火花隙。,下面是陶瓷电极,其点火装置及其构造方法专利的具体信息内容。

1.一种用于点火装置的中心电极,所述中心电极包括:由陶瓷材料构成的伸长的本体。

2.如权利要求1所述的中心电极,其特征在于,所述陶瓷材料为氧化物、硼化物、氮化物、碳化物和硅化物组成的组中的至少一种。

3.如权利要求2所述的中心电极,其特征在于,所述氧化物选自:TiO,VO,NbO,TaO,MnO,FeO,CoO,NiO,CuO,ZnO,V2O3,CrO3,Fe2O3,RhO3,In2O3,Th2O3,Ga2O3,TiO2,VO2,CrO2,MoO2,WO2,RuO2,ReO2,OsO2,RhO2,IrO2,PbO2,NbO2,MbO2,MnO2,PtO2,GeO2,SnO2,以及通式为AxB1-xO3的钙钛矿结构,其中B为Sc,Ti,Zr,Hf,Nb,Ta,Mo,W,Re,V,Cr,Mn,Tc,Fe,Ru,Co,Rh,Ni中的一种,而A为La,Ca,Ba,Sr,Y,Gd中的一种。

4.如权利要求2所述的中心电极,其特征在于,所述硼化物具有分子式为MxBy的化学组成,其中M为金属元素,X为1,而Y为1,2或者6。

5.如权利要求4所述的中心电极,其特征在于,所述硼化物选自:ZrB2,ZrB,ZrB12,HfB2,TiB2,TiB,VB2,VB,W2B5,CrB2,CrB,β-MoB,α-MoB,Mo2B5,Mo2B,NbB2,NbB,TaB2,TaB,LaB6,BaB6,CaB6和CeB6。

6.如权利要求2所述的中心电极,其特征在于,所述氮化物具有分子式为MxNy的化学组成,其中M为金属元素,N为氮元素,而X和Y为1。

7.如权利要求6所述的中心电极,其特征在于,所述氮化物选自:TiN,ZrN,TaN,NbN,VN和HfN。

8.如权利要求2所述的中心电极,其特征在于,所述碳化物具有分子式为MxCy的化学组成,其中M为金属元素,C为碳元素,而X和Y为1。

9.如权利要求8所述的中心电极,其特征在于,所述碳化物选自:TaC,Cr3C2,MoC,Mo2C,WC,W2C,ZrC,TiC,NbC,HfC,VC,Be2C,SiC和B4C。

10.如权利要求2所述的中心电极,其特征在于,所述硅化物具有分子式为MxSiy的化学组成,其中M为金属元素,Si为硅元素,X为1,Y为2。

11.权利要求10所述的中心电极,其特征在于,所述硅化物选自:MoSi2,NbSi2,TiSi2,WSi2,W5Si2,CrSi2,Cr3Si和TaSi2。

12.如权利要求2所述的中心电极,其特征在于,所述硅化物,氮化物和碳化物选自:MO5Si3C和TiCN。

13.一种火花塞,包括:

沿着终端与鼻端之间的纵轴延伸的大致环状的陶瓷绝缘体;

围绕所述陶瓷绝缘体的至少一部分的导电外壳;

可操作地连接于所述陶瓷绝缘体的接地电极,所述接地电极具有接地电极点火表面;

及具有伸长的本体的中心电极,该本体在相对末端之间沿着一纵轴延伸,所述末端中的一端具有中心电极点火表面,所述中心电极点火表面与所述接地电极点火表面提供火花隙,所述本体由陶瓷材料构成。

14.如权利要求13所述的火花塞,其特征在于,贯穿所述本体的所述陶瓷材料是同质的。

15.如权利要求14所述的火花塞,其特征在于,所述本体为整块的所述陶瓷材料。

16.如权利要求13所述的火花塞,其特征在于,进一步包括连接所述中心电极与所述绝缘体的烧结粘结料。

17.如权利要求16所述的火花塞,其特征在于,所述中心电极具有直径基本不变的圆柱形外表面。

18.如权利要求13所述的火花塞,其特征在于,所述中心电极的所述相对末端中的一端与所述绝缘体的所述终端大致齐平,所述中心电极的所述末端中的另一端与所述绝缘体的所述鼻端大致齐平。

19.如权利要求18所述的火花塞,其特征在于,所述中心电极具有直径基本不变的圆柱形外表面。

20.如权利要求13所述的火花塞,其特征在于,所述陶瓷材料为氧化物,硼化物,氮化物,碳化物以及硅化物组成的组中的至少一种。

21.一种火花塞的构造方法,包括:

紧压陶瓷材料以形成大致环状的陶瓷绝缘体,该陶瓷绝缘体具有在终端与鼻端之间延伸的中心通道;

形成包围陶瓷绝缘体的至少一部分的导电外壳;

形成一接地电极;

可操作地将所述接地电极连接至所述外壳;

紧压陶瓷材料以形成伸长的中心电极;

烧结绝缘体与中心电极的压紧的陶瓷材料;及将绝缘体与中心电极置于金属壳内。

22.如权利要求21所述的方法,进一步包括将压紧的中心电极置于绝缘体的中心通道内,并且在将绝缘体与中心电极置于外壳内之前将中心电极与绝缘体烧结在一起。

23.如权利要求22所述的方法,进一步包括在烧结步骤中形成中心电极与绝缘体之间的烧结粘结料。

24.如权利要求22所述的方法,进一步包括形成具有直径基本不变的圆柱形外表面的中心电极。

25.如权利要求24所述的方法,进一步包括形成具有在相对末端之间延伸的长度的中心电极,当中心电极置于绝缘体的中心通道内时,该中心电极的相对末端中的一端与绝缘体的终端基本平齐,而该中心电极的所述末端中的另一端与绝缘体的鼻端基本平齐。

说明书全文

陶瓷电极,其点火装置及其构造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及内燃机的点火装置,更具体地涉及其电极。

背景技术

[0002] 火花塞是一种火花点火装置,该装置延伸到内燃机的燃烧室内并产生火花以点燃空气和燃料的混合物。火花塞通常具有与火花塞的其他组件分开制造和点火的外陶瓷绝缘体。部分穿过该绝缘体并延伸到点火尖端的中心电极,以及从金属外壳延伸出来的接地电极。独立电阻元件通常连接至绝缘体内的与电极的点火端相对的电极的一端。该电阻的作用是抑制无线电频率电磁辐射,如果不加以抑制,该电磁辐射可影响其他电信号的传导,包括干扰无线电信号。通常,电阻越靠近在间隔开的中心和接地电极点火端之间的火花隙越好,因为火花就在这里产生,因此是产生无线电频率电磁辐射的初始位置。
[0003] 为了获得更好的发动机效率与性能,最新的发动机技术会导致更高的工作温度。该更高的工作温度由于降低了火花塞的使用寿命而对其具有不利影响。特别的,更高的温度使得火花塞电极达到了本身材料性能的极限,一旦超出了极限,就会导致电极的失效。
目前,镍基合金,包括UNS N06600规格指定的镍铬铁合金,例如商品名为Inconel
Nicrofer Ferrochronin 都被广泛应用于火花塞电极材料。这种电极通常可
以持续使用到30,000英里,超过这个范围,则需要更换。
[0004] 众所周知,工作温度越高,这种镍基的镍-铬-铁合金的抗高温氧化能力越弱。因为燃烧环境是极度氧化的,从而导致了由高温氧化和硫化作用带来的包括变形和断裂的腐蚀磨损,特别是在最高的工作温度下会急剧恶化。在工作温度的上限(如1400°F或者更高),可以观察到抗张强度、蠕变断裂强度和疲劳强度显著降低,进而导致电极变形、开裂以及断裂。根据电极的设计、特殊工作状况以及其他因素,上述高温现象可能单独也可能结合其他因素一起造成火花塞间隙的不良增长,进而使得引起点火装置与相关引擎点火与熄火所需的电压增大。在极端条件下,电极、点火装置与相关引擎的失效都是由上述高温现象导致的电极变形与断裂造成的。
[0005] 为了解决电极在高性能引擎的高温环境中容易损坏的问题,人们曾经尝试采用贵金属,如铂或者铟制造电极。尽管这种电极能够延长其使用寿命,通常达到大约80,000-100,000英里,但是通常仍然需要在交通工具使用寿命结束之前更换新的,而且,这种电极造价极其昂贵。
[0006] 因此,需要一种火花塞,具有在高温引擎环境中使用寿命更长的电极;具有抗高温氧化与硫化作用能力,以及相应的耐腐蚀耐磨损机制;抑制无线电电磁辐射能力;具有足够的抗张强度、蠕变断裂强度和疲劳强度;在现在或者将来的高温/高性能火花点火装置中足够抵抗开裂和断裂,造价低廉。

发明内容

[0007] 火花点火装置的中心电极具有伸长的本体,该本体由导电或者半导电的陶瓷材料制成。
[0008] 根据发明的另一方面,该火花塞具有沿着终端与鼻端之间的纵轴延伸的大致环状的陶瓷绝缘体。导电外壳包围陶瓷绝缘体的至少一部分,且接地电极可操作地连接至外壳,其中该接地电极具有接地电极点火表面。中心电极具有在相对末端之间沿着一纵轴延伸伸长的本体。电极末端的一端提供中心电极点火表面。该中心电极点火表面与接地电极点火表面提供火花隙。中心电极的本体由导电或半导电的陶瓷材料制成。
[0009] 根据发明的另一方面,提供火花塞的构造方法。方法包括紧压陶瓷材料以形成大致环状的陶瓷绝缘体,该陶瓷绝缘体具有在终端与鼻端之间延伸的中心通道;形成包围陶瓷绝缘体的至少一部分的导电外壳;形成一接地电极;将接地电极连接至所述外壳;紧压陶瓷材料以形成伸长的中心电极;烧结绝缘体与中心电极的压紧的陶瓷材料,及将绝缘体与中心电极置于金属壳内。

附图说明

[0010] 为了更清楚地说明本发明陶瓷电极与火花塞的上述和其他方面、特征及优点,以下结合当前优选的实施例和最佳实施方式、所附权利要求以及附图对本发明进行详细描述,其中:
[0011] 图1是根据本发明的一个当前优选方面构造的火花塞的剖视图;
[0012] 图2是根据本发明的另一个当前优选方面构造的火花塞的剖视图;
[0013] 图3是根据本发明的又一个当前优选方面构造的火花塞的剖视图;

具体实施方式

[0014] 更具体地参考附图,图1示出了点火装置,以下都简称为火花塞,火花塞10用于内燃机(图未示)内的燃料/空气混合物的点火。根据本发明的火花塞10具有由导电或半导电的陶瓷材料制成的中心电极12。用于制造中心电极12的陶瓷材料能够承受火花塞10所遭遇的最为极限的温度,压力,化学腐蚀和物理磨损状况。这些状况包括暴露于大量的高温化学反应物质中,该化学反应物质与通常促进氧化,硫化以及其他高温腐蚀反应的燃烧过程相关,例如归因于燃烧产品中的钙与磷的那些过程,以及火花中心与火焰前缘相关的等离子体反应,该反应促进电极12的点火表面的腐蚀。考虑到绝缘体14也是由陶瓷材料制成,中心电极12基本上避免了普通金属合金电极材料与火花塞10相关成分(例如绝缘体14)的热膨胀系数不同而产生的周期热机械应力。因此,电极12避免了通常导致电极损坏的高温蠕变,开裂和断裂现象。另外,因为中心电极12能够承受或避免前面提到的状况,处于中心电极12与接地电极18之间的预设火花隙16就能基本上维持到交通工具的使用寿命结束。同样地,产生于火花隙16的火花的形成,位置,形状,持续的时间,以及其他特征在火花塞10的整个使用寿命中都可以达到最优化。因而,燃料/空气的混合物的燃烧性能与具有火花塞10的引擎的工作性能也可以达到最优化。
[0015] 火花塞10包括通常为环状的陶瓷绝缘体14,该绝缘体可包括氧化铝或者其他合适的具有一定的绝缘强度、高机械强度、高导热系数以及优越的抗热冲击能力的电绝缘材料。绝缘体14由湿润状态(in a green state)的陶瓷粉末在足够使陶瓷粉致密与烧结的高温下烧结后压模成型。绝缘体12具有一外表面,该外表面可包括具有小下肩部21和大上肩部23的下部19,带有部分裸露在外的上杆部20,该上杆部20从上肩部23向上延伸至被橡胶或者其他的绝缘火花塞保护罩(boot)(未示出)包围和夹紧以与点火线和点火系统(未示出)电绝缘。暴露在外的杆部10包括一系列的螺纹22或者其他表面进行上釉或特征以提供针对火花或二次电压闪络的额外保护,从而提高杆部20与火花塞保护罩的夹紧作用。绝缘体14通常为管状或环状构造,具有一个在上终端26与下核心鼻端28之间纵向延伸的中心通道24。在图1的具体实施例中,中心通道24具有可变的横截面面积,通常其最大部分位于或者靠近终端26而最小部分位于或者靠近核心鼻端28,其间带有过渡肩27,虽然其他的通道构造可用于此且预期与本发明一致。
[0016] 火花塞包括一个导电的金属外壳30。该金属外壳30可以由任何合适的金属制造,包括各种各样涂层的和未涂层的刚合金。外壳30具有一个通常为环状的内表面32,该内表面围绕绝缘体14的下部19的外表面并与之形成密封,该外壳还具有与之连接的维持在地电势的接地电极18。虽然接地电极18呈现为通常使用的单一L形,但是应该理解,根据火花塞10的特定应用,也可用直的,弯的,环状的,余摆线的以及其他配置的多个接地电极来代替,包括两个,三个以及四个接地电极的配置,以及多个电极通过环孔和其他结构连接在一起的配置以获得特殊的点火表面配置。接地电极18在点火末端36具有一个或多个接地电极起火或者点火表面34,该点火末端36靠近或者部分界定接地电极18与中心电极12之间的火花隙16,中心电极12也具有一个相关的中心电极点火表面38。根据电极与它们各自的点火末端和表面的相对方向,火花隙16可以构成末端隙,边隙或者表面隙,或者上述组合起来。接地电极点火表面34与中心电极点火表面38可各自具有任何合适的截面形状,包括圆形的,长方形的,正方形的以及其他形状的,这些点火表面的形状可以各不相同。
[0017] 外壳30其本体部分通常为管状或者环状,并包括内部的下受压凸缘40和上受压凸缘42,该下受压凸缘40对绝缘体14的小配合下肩部21施加压力形成压接,该上受压凸缘42在组装操作中被挤压或变形以通过中间的填料44对绝缘体14的大上肩部23施加压力。为了将外壳30相对于绝缘体14保持在一个固定的轴向位置上并形成绝缘体14和外壳30之间的气密性径向密封,外壳30还包括一个环状的可变形区域46,当加热可变形区域46和在上受压凸缘42的变形过程中或之后的巨大的轴向压缩力的相关应用中,该变形区域被设计并配置为轴向和径向向外收缩。也可以将衬垫,结合剂,或者其他填料或密封剂填入绝缘体14与外壳30之间,来完善气体密封性并提高组装的火花塞10的结构整体性。
[0018] 外壳30可具有外部的工具容置六边形48或者其他便于在燃烧室开口处卸掉或者安装火花塞的形状。其形状尺寸优选与相关应用的此类型工业标准工具尺寸相一致。当然,某些应用需要非六边形的工具容置界面,比如容纳活动扳手的槽,或者其他赛车用火花塞或其他应用中已知的形状。一螺纹部分50形成于外壳30的下部上,密封支座52的正下方。密封支座52与衬垫54配对使用以提供合适的界面,火花塞10座于该界面上并在外壳30的外表面与燃烧室开口内的螺纹孔之间形成热气密封。另外,密封支座52也可以沿着外壳30的下部设置并配置成锥形支座以提供汽缸盖内的紧公差(closetolerance)和自身密封安装,该汽缸盖也被设置为与这种火花塞支座相匹配的锥形。
[0019] 导电接线端头56部分地位于绝缘体14中心通道24的终端26,并从裸露的顶端58纵向延伸到底端60,该底端60向下嵌入到中心通道24的中间部位。顶端58设置成与点火线相连(图中没有示出),该点火线通常就像在此所描述的那样容置于电绝缘保护罩内,并接收高压电力的定时放电以通过在火花隙54内产生火花而点燃火花塞10。
[0020] 接线端头56的底端60优选为在中心通道24内减小直径并嵌入导电玻璃密封62内。导电玻璃密封62的作用在于密封接线端头40的底端60和中心通道24,避免燃烧气体泄露,以及在接线端头56与中心电极12之间建立电连接。玻璃和其他密封的许多其他配置都是已知的并可以根据本发明加以利用。另外,虽然代替中心电极12的结构并不是必须的,人们知道,由任何能降低电磁干扰(EMI)的合适的已知成分组成的电阻层可被设置于接线端头56的底端60与中心电极12的顶端或者头部之间。因此,点火系统的电荷穿过接线端头56的底端60,穿过玻璃密封62,并穿过中心电极12。
[0021] 中心电极12部分地位于绝缘体14的中心通道24内,具有伸长的圆柱本体63,该本体沿着纵轴66从较大的径向向外展开的头部64延伸至点火端39,该展开的头部64呈现为已知的大头针(headed pin)构造,其中头部64被玻璃密封62包住并且通常邻接于过渡肩部27,该点火端39从绝缘体14的鼻端28处向外伸出,临近接地电极18的点火表面34但与之间隔开一段距离。中心电极12的本体63被构建为实心的一体的整体导电或者半导电的陶瓷结构,在头部64与点火端39之间连续不间断地延伸。本体63的陶瓷结构也可以由不同级别的材料制造而成,因此可以根据不同的应用与理想的特征,例如用于抑制无线电频率电磁辐射所需的电阻,从而为本体63提供理想的电阻水平。本体63可以由各种陶瓷材料中的其中一种制造而成,作为示例而非限制,过渡金属元素的氧化物(包括一氧化物,例如TiO、VO、NbO、TaO、MnO、FeO、CoO、NiO、CuO与ZnO;包括三氧化二物,例如V2O3、CrO3、Fe2O3、RhO3、In2O3、Th2O3与Ga2O3;还包括二氧化物,例如TiO2、VO2、CrO2、MoO2、WO2、RuO2、ReO2、OsO2、RhO2、IrO2、PbO2、NbO2、MbO2、MnO2、PtO2、GeO2与SnO2);还包括至少一种过渡金属元素的两种及两种以上的金属氧化物,包括例如,通式为AxB1-xO3的钙钛矿结构(perovskite structures),其中B为Sc、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Re、V、Cr、Mn、Tc、Fe、Ru、Co、Rh、Ni,A为La、Ca、Ba、Sr、Y,或者Gd,例如(LaCrO3;LaMnO3;LaFeO3;LaGaO3以及LaCO3);硼化物,包括例如具有分子式为MxBy的化学组成,其中M为金属元素,X通常为1,Y通常为1,2或者6:硼-5 -4
化物的电阻范围为10 ~10 Ω·cm,熔点范围为1600~3200℃:例子包括硼化锆(ZrB2;
ZrB以及ZrB12);硼化铪(HfB2);硼化钛(TiB2;TiB);硼化钒(VB2;VB);硼化钨(W2B5);硼化铬(CrB2;CrB);硼化钼β-MoB,α-MoB,Mo2B5;Mo2B;硼化铌(NbB2;NbB);硼化钽(TaB2;
TaB);六硼化镧(LaB6);六硼化钡(BaB6);六硼化钙(CaB6);六硼化铈(CeB6);氮化物,包括例如分子式为MxNy的化学组成,其中M为金属元素,N为氮元素,X和Y通常为1,氮化物的-5 -4
电阻范围为10 ~10 Ω·cm,熔点范围为1400~3300℃:例子包括氮化钛(TiN);氮化锆(ZrN);氮化钽(TaN);氮化铌(NbN);氮化钒(VN);氮化铪(HfN):碳化物,包括例如具有分子式为MxCy化学组成,其中M为金属元素,C为碳元素,X和Y通常为1,碳化物通常的电阻-5 -4
范围为10 ~10 Ω·cm,熔点或升华点范围为1900~4000℃:例子包括碳化钽(TaC);碳化铬(Cr3C2);碳化钼(MoC;Mo2C);碳化钨(WC;W2C);碳化锆(ZrC);碳化钛(TiC);碳化铌(NbC);碳化铪(HfC);碳化钒(VC);碳化铍(Be2C);碳化硅(SiC);碳化硼(B4C):以及硅化物,包括例如具有通式为MxSiy的化合物,其中M为金属元素,Si为硅元素,X通常为1,Y通常-5 -4
为2,硅化物其电阻范围为10 ~10 Ω·cm,熔点范围为1500~2500℃:例子包括硅化钼(MoSi2);硅化铌(NbSi2);硅化钛(TiSi2);硅化钨(WSi2;W5Si2);硅化铬(CrSi2;Cr3Si);硅化钽(TaSi2)。其他化合物可以包括三元硅化物,氮化物和碳化物,例如碳硅化钼(Mo5Si3C),或者是碳氮化钛(TiCN)。
[0022] 相应地,根据电极12需要的电阻水平与所处的温度,选择合适的陶瓷材料来制造理想的电极12。而且,陶瓷材料可被提供为贯穿中心电极12的整体结构的同质材料。
[0023] 虽然图1中所示出的中心电极12由于该展开的上端或头部64而具有大头针配置,本发明还包括其头部位于电极的相反端(例如临近点火端39)的所有的头部排列方式。此外,如图2所示,其中与上述相差100的相同附图标记具有相似的特征,火花塞110的电极112可被构造为笔直的圆柱体构造,从而更好地适合于在挤压过程中成型和连同绝缘体
114一起被共烧和烧结以通过示出为72的烧结粘结料将中心电极112永久结合至绝缘陶瓷材料。因此,绝缘体114与电极112可以制造成一个整体的部件,使制造过程更加经济。另外,如图3所示,其中与上述相差200的相同附图标记具有相似的特征,火花塞210的电极
212可被构造成笔直的圆柱体构造,具有直径不变或基本不变的的外表面,该外表面延伸的长度足以贯穿火花塞的绝缘体214内的中心通道224延伸的整个长度。因此,绝缘体214的中心通道224可以被构造为具有直径不变或基本不变的圆柱形通道,其尺寸紧密地贴合容置电极212,其中电极212的相对端264,239分别与绝缘体214的相对的终端226和鼻端228齐平或者大致齐平。因此,根据用于构造电极212所使用的陶瓷材料,由于电极212完全贯穿于中心通道224并具有所需的电阻,火花塞210并没有通常的中心电器层和玻璃密封。而且,和电极112一样,电极212可以与绝缘体214一起被共烧和烧结以通过示出为
272的烧结粘结料将中心电极212永久结合至绝缘陶瓷材料。因此,绝缘体214与电极212可以制造成一个整体的部件,使制造过程更加经济。应该理解,与所示出的配置一样,电极的直径也可以制造成沿其长度是可变的,可以是阶梯式的,锥形的或者其他所需的形式。中心电极12,112,212可具有任何合适的横截面尺寸或者形状,包括圆形,正方形,长方形,或其他形状或尺寸。而且,点火端39,139,239可以是任何合适的形状。可以是递减的横截面尺寸,也可以是与中心电极的其他部分不同的横截面形状。点火表面38,138,238可以是任何合适的形状,包括平面的,曲线的,锥形的,尖的,面状的(faceted)或者其他。
[0024] 本发明的中心电极12可以使用任何合适的方法制造而成,该方法用于制造所描述类型的陶瓷制品,包括注塑成型并烧结,或者压模并烧结。
[0025] 显然,根据以上教导,本发明的许多修正和变型是可能的。因此,应当理解,在后所附权利要求的范围内,本发明可不同于上述具体描述通过其他方式实施。相应的,本发明的范围由最终授权的权利要求来限定,而不仅由上述描述的典型实施例来限定。
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