CN101622443A - 点火塞 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种内燃机用点火塞。所述点火塞包括：中心电极；位于所述中心电极外部的绝热器；位于所述绝热器外部的金属腔体；一端连接到所述金属腔体、另一端面朝所述中心电极的接地电极；以及固定于一个或更多个中心电极或接地电极上的电极端。所述电极端由铱(Ir)、铪(Hf)和铌(Nb)的合金制成。因而，具有低成本的铱的点火塞可以具有高的抗性，避免了在高速行驶条件下铱元素的氧化和气化。

Description

点火塞
技术领域
本发明涉及一种内燃机用点火塞(ignition plug)。
背景技术
传统内燃机用点火塞，如汽车发动机用点火塞，使用贵金属(比如铂)制作的电极端作为电极的尾部，以便提高电火花消耗阻抗。然而，由于贵金属非常昂贵而且通常用于豪华车，因此低价位汽车中通常使用铱金(Ir)。
然而，存在这样一个问题，铱金在900℃到1000℃的高温下容易氧化和气化。因而，当铱金直接用于电极的火花部分时，该铱金可能由于氧化或者气化迅速消耗。相应地，尽管使用铱金作为电极火花部分的点火塞在如城市道路行驶条件的低温状况下具有高的耐久性，但是在高速行驶条件下点火塞的耐久性急剧下降。
特别地，铱金作为电极端的主要元素在被氧化时与氧气结合。所产生的铱的氧化物IrO2具有不易挥发和抗腐蚀的特性。然而，随着温度升高(到大约900℃)，产生挥发性的铱氧化物IrO3。汽缸中的温度通常升高到大约1000℃，有时会升高到2000℃，导致主要生成具有挥发性的铱的氧化物IrO3。为了覆盖具有低抗腐蚀性的铱的氧化物IrO3，广泛使用铑(Rh)。当铱铑(Ir-Rh)合金在高温下被氧化时，在合金表面产生铑的氧化物RhO2，覆盖电极端表面，这阻止了铱的氧化物IrO3的挥发。相应地，能够避免电极端在高温下被迅速消耗。
然而，由于铑(Rh)也非常昂贵，所以需要一种廉价并具有相似性能的合金。
发明内容
本发明提供一种使用低成本铱金并具有高抵抗性以阻止铱元素在除了如城市道路行驶条件的低温状况外的高温状况、如高速行驶条件下的氧化和气化的点火塞。
根据本发明的一个方面，提供一种点火塞，包括：中心电极；位于所述中心电极外部的绝热器(insulator)；位于所述绝热器外部的金属腔体；一端连接到所述金属腔体、另一端面朝所述中心电极的接地电极；以及固定于一个或更多个中心电极和接地电极上的电极端，其中所述电极端由铱(Ir)、铪(Hf)和铌(Nb)的合金制成。
在本发明的上述方面中，所述电极端可以包含0.1wt％到5.0wt％的铪。
此外，所述电极端可以包含0.1wt％到7.0wt％的铌。
根据本发明的另外一个方面，提供一种点火塞，包括：中心电极；位于所述中心电极外部的绝热器；位于所述绝热器外部的金属腔体；一端连接到所述金属腔体、另一端面朝所述中心电极的接地电极；以及固定于一个或更多个中心电极和接地电极上的电极端，其中所述电极端由铱(Ir)、铑(Rh)和铪(Hf)的合金制成。
在本发明的上述方面中，所述电极端可以包含0.01wt％到3.0wt％的铪。
此外，所述电极端可以进一步包含铌(Nb)。
此外，所述电极端可以包含0.01wt％到5.0wt％的铌(Nb)。
根据本发明的另外一个方面，提供一种点火塞，包括：中心电极；位于所述中心电极外部的绝热器；位于所述绝热器外部的金属腔体；一端连接到所述金属腔体、另一端面朝所述中心电极的接地电极；以及固定于一个或更多个中心电极和接地电极上的电极端，其中所述电极端由铱(Ir)和钌(Ru)的合金制成。
在本发明的上述方面中，所述电极端可以包含1.0wt％到5.0wt％的钌(Ru)。
此外，所述电极端可以进一步包含铪(Hf)。
此外，所述电极端可以包含0.01wt％到3.0wt％的铪(Hf)。
此外，所述电极端可以进一步包含铌(Nb)。
此外，所述电极端可以包含0.01wt％到5.0wt％的铌(Nb)。
本发明的上述方案具有包括如下优点的许多优点。然而，本发明不必将所有有益特征和所有优点都并入本发明的每种实施方式中。
根据本发明的具有低成本铱的点火塞能够具有高的抗性，来阻止铱元素在除了如城市道路行驶条件的低温状况外的高温状况、如高速行驶条件下的氧化和气化。
虽然本发明参考其示例性实施方式进行详尽展示和描述，本领域技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上作出各种变化。
附图说明
图1是例示点火塞的一部分的横截面视图；
图2是例示图1中心电极和接地电极的部分的放大截面视图；
图3是示出了根据本发明的第一实施方式的氧化前电极端的成分分析结果的图；
图4是示出了图3中电极端在氧化后的成分分析结果的图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的示例性实施方式作详细描述。
在该描述中，省略已知功能和结构的详细描述以便不要妨碍对本发明的理解。
图1是例示点火塞一部分的横截面视图。
参考图1，点火塞包括中心电极3，位于中心电极3外部的绝热器2，位于绝热器2外部的金属腔体1，以及一端连接到金属腔体1、另一端面朝中心电极3的接地电极4。中心电极3和接地电极4分别设置有彼此面对的电极端31、32。
图2是例示图1中心电极和接地电极的部分的放大截面视图。
参考图2，中心电极3的主体3a在所述中心电极3的尾部逐渐变尖细，而且所述尾部的表面形成为平面。形成为盘状的电极端31位于平坦的尾部，而且，通过对连接表面的外表面应用合适的焊接技术，例如激光焊接、电子束焊接、电阻焊接等，来形成焊缝W，以使电极端31可安全固定在所述中心电极31的尾部的表面。所述面对的电极端32布置于所述接地电极4，焊缝W形成于连接表面的外表面，使得电极端32可安全固定于所述接地电极4。
根据情况，两个面对的电极端31和32中的一个可以被省略。在这种情况下，火花放电间隙g形成于电极端31和32之一与接地电极4(或中心电极3)之间。
电极端31和32可由通过熔融合金混合物得到的材料、致密合金粉末、或者在特定比率下混合基本金属粉末并烧结所述致密合金粉末所得到的烧结材料制成。
当所述电极端31和32由熔融合金制成，对熔融合金的原材料进行轧制、回火、锻扁(spreading)、切割、剪切和烧结中的一个或更多个处理来制造预定形状的电极端。
现在，描述电极端的合金组分。
如上所述，通过覆盖所述电极端表面，铑的氧化物RhO2具有阻止铱的氧化物IrO3挥发的功能。本发明的一个目的是开发添加元素使得铑(Rh)能够完成上述功能。对包含各种具有高硬度的元素的合金进行各种实验。作为结果，发现了几种下述实施方式中描述的具有有益性能的合金元素。
实施方式1
图3和图4例示了根据该第一实施方式的电极端元素的X射线衍射分析结果。
根据实施方式1的电极端是具有组分比率为Ir-Hf3.0wt％-Nb5.0wt％的合金。图3是示出了氧化前的组分分析结果的图，图4是示出了氧化后的组分分析结果的图。
在氧化前的图中，具有最高峰值的元素为铱-铪Ir3Hf。在氧化后的图中，铱-铪Ir3Hf减少，产生铪的氧化物HfO2。具体地，在氧化后的图中，铪的氧化物HfO2具有最高峰值。铪的氧化物HfO2像铑的氧化物RhO2那样形成于铱(Ir)端的表面并有防止具有挥发性的铱的氧化物IrO3挥发的功能。
为了阐述这种功能，测量当铪(Hf)和铌(Nb)的组分比率改变时的间隙生长速率。所述间隙生长速率是间隙由初始间隙生长的速率。在发动机实验设备在6000rpm下运转300小时的状况下进行实验。稍后描述的根据实施方式的实验在相同状态下进行。
所得结果如下表1所示。
表1
  组分比   间隙生长速率
  Ir(未包括Hf)   0.45
  Ir-Hf0.1wt％   0.30
  Ir-Hf1.0wt％   0.27
  Ir-Hf3.0wt％   0.26
  Ir-Hf4.0wt％   0.30
  Ir-Hf5.0wt％   0.33
  Ir-Hf3.0wt％-Nb1.0wt％   0.24
  Ir-Hf3.0wt％-Nb2.0wt％   0.22
  Ir-Hf3.0wt％-Nb3.0wt％   0.18
  Ir-Hf3.0wt％-Nb4.0wt％   0.16
  Ir-Hf3.0wt％-Nb5.0wt％   0.15
  Ir-Hf3.0wt％-Nb6.0wt％   0.22
  Ir-Hf3.0wt％-Nb7.0wt％   0.23
  Ir-Hf3.0wt％-Nb8.0wt％   0.26
根据该实验的结果，可以看出，当将铪(Hf)添加到包括铱(Ir)的合金中时，与合金中仅含铱(Ir)相比，在铪(Hf)的组分比从0.1wt％到5.0wt％时，间隙生长速率显著降低。此外，具有组分比Ir-Hf3.0wt％的合金间隙生长速率最小。当将铌(Nb)添加于其中时，间隙生长速率除一个例子外均是降低的。尤其是，可以看出，在铌的组分比为1.0wt％到7.0wt％时间隙生长速率显著降低。
实施方式2
根据该实施方式2，对具有组分比Ir-Rh 5.0wt％及不同重量的铪(Hf)和铌(Nb)的合金进行实验。
所得结果如下表2所示。
表2
  组分比   间隙生长速率
  Ir-Rh5.0wt％-Hf0.1wt％   0.24
  Ir-Rh5.0wt％-Hf0.5wt％   0.21
  Ir-Rh5.0wt％-Hf1.0wt％   0.15
  Ir-Rh5.0wt％-Hf1.5wt％   0.16
  Ir-Rh5.0wt％-Hf3.0wt％   0.17
  Ir-Rh5.0wt％-Hf1.0wt％-Nb0.1wt％   0.14
  Ir-Rh5.0wt％-Hf1.0wt％-Nb0.5wt％   0.13
  Ir-Rh5.0wt％-Hf1.0wt％-Nb1.0wt％   0.12
  Ir-Rh5.0wt％-Hf1.0wt％-Nb3.0wt％   0.09
  Ir-Rh5.0wt％-Hf1.0wt％-Nb5.0wt％   0.13
根据该实验的结果，包括铑(Rh)和铪(Hf)的合金与仅含铱(Ir)的合金相比，间隙生长速率小很多。特别是，具有组分比Ir-Rh5.0wt％-Hf1.0wt％的合金间隙生长速率最小。当添加铌(Nb)添加时，可以看出，在铌(Nb)的组分比从0.1wt％到5.0wt％时间隙生长速率显著降低。尤其是，可以看出，当铌(Nb)的组分比大约为3.0wt％时间隙生长速率显著降低。
实施方式3
根据该实施方式3，对具有组分比Ir-Rh 3.0wt％及不同重量的铪(Hf)的合金进行实验。此外，与实施方式2相比，测试包含铪(Hf)的重量很小的合金。
所得结果如下表3所示。
表3
  组分比   间隙生长速率
  Ir-Rh 3.0wt％-Hf0.01wt％   0.07
  Ir-Rh 3.0wt％-Hf0.05wt％   0.08
  Ir-Rh 3.0wt％-Hf0.1wt％   0.07
  Ir-Rh 3.0wt％-Hf0.2wt％   0.07
  Ir-Rh 3.0wt％-Hf0.5wt％   0.08
  Ir-Rh 3.0wt％-Hf1.0wt％   0.12
  Ir-Rh 3.0wt％-Hf2.0wt％   0.18
  Ir-Rh 3.0wt％-Hf3.0wt％   0.23
根据该实验的结果，可以看出，包括铑(Rh)和铪(Hf)的合金与仅含铱(Ir)的合金相比，间隙生长速率小很多。假定当合金的间隙生长速率实际上小于3.0时所述合金与仅含铱(Ir)的合金相比具有更高的耐久性，具有铪(Hf)的组分比为0.01wt％到3.0wt％的合金具有提高的耐久性。在这种情况下，包含超过3.0wt％的铪(Hf)的电极端由于脆性是制造不出来的。
实施方式4
根据该实施方式4，对包括铱-铑Ir-Rh 3.0wt％-Hf 0.01wt％及不同重量的铌(Nb)的合金进行实验。
所得结果如下表4所示。
表4
  组分比   间隙生长速率
  Ir-Rh 3.0wt％-Hf0.010wt％-Nb0.01wt％   0.15
  Ir-Rh 3.0wt％-Hf0.010wt％-Nb0.05wt％   0.13
  Ir-Rh 3.0wt％-Hf0.010wt％-Nb0.1wt％   0.11
  Ir-Rh 3.0wt％-Hf0.010wt％-Nb0.2wt％   0.11
  Ir-Rh 3.0wt％-Hf0.010wt％-Nb0.5wt％   0.12
  Ir-Rh 3.0wt％-Hf0.010wt％-Nb1.0wt％   0.06
  Ir-Rh 3.0wt％-Hf0.010wt％-Nb2.0wt％   0.08
  Ir-Rh 3.0wt％-Hf0.010wt％-Nb3.0wt％   0.13
  Ir-Rh 3.0wt％-Hf0.010wt％-Nb5.0wt％   0.22
  Ir-Rh 3.0wt％-Hf0.010wt％-Nb8.0wt％   0.35
根据该实验的结果，具有从0.01wt％到5.0wt％的铌(Nb)的组分比的合金其间隙生长速率小于0.3。尤其是，当铌的组分比为大约1.0wt％时间隙生长速率显著降低。
实施方式5
根据该实施方式5，对包括具有不同组分比的铱-钌Ir-Rh的合金进行实验。
所得结果如下表5所示。
表5
  组分比   间隙生长速率
  Ir(未包括Ru)   0.45
  Ir-Ru 0.5wt％   0.31
  Ir-Ru 1.0wt％   0.22
  Ir-Ru 2.0wt％   0.16
  Ir-Ru 3.0wt％   0.13
  Ir-Ru 4.0wt％   0.07
  Ir-Ru 5.0wt％   0.22
  Ir-Ru 7.0wt％   0.32
根据该实验的结果，包含钌(Ru)的合金比仅含铱(Ir)的合金具有更小的疲劳速率。尤其是，具有从0.5wt％到5.0wt％的钌(Ru)的组分比的合金其间隙生长速率小于0.3，这意味着该合金的抗磨损性能提高。
实施方式6
根据该实施方式6，对包括铱-钌Ir-Ru4.0wt％及不同重量的铪(Hf)的合金进行实验。
所得结果如下表6所示。
表6
  组分比   间隙生长速率
  Ir-Ru 4.0wt％-Hf0.01wt％   0.08
  Ir-Ru 4.0wt％-Hf0.05wt％   0.10
  Ir-Ru 4.0wt％-Hf0.1wt％   0.09
  Ir-Ru 4.0wt％-Hf0.2wt％   0.11
  Ir-Ru 4.0wt％-Hf0.5wt％   0.13
  Ir-Ru 4.0wt％-Hf1.0wt％   0.14
  Ir-Ru 4.0wt％-Hf2.0wt％   0.14
  Ir-Ru 4.0wt％-Hf3.0wt％   0.14
根据该实验的结果，具有钌(Ru)和铪(Hf)的合金与仅含铱(Ir)的合金相比具有更小的间隙生长速率。假定当合金的间隙生长速率实际上小于3.0时所述合金与仅含铱(Ir)的合金相比具有更高的耐久性，具有从0.01wt％到3.0wt％的铪(Hf)组分比的合金具有提高的耐久性。在这种情况下，包含超过3.0wt％的铪(Hf)的电极端由于脆性是制造不出来的。
实施方式7
根据该实施方式7，对包括铱-钌Ir-Ru 4.0wt％-Hf 0.01wt％及不同重量的铌(Nb)的合金进行实验。
所得结果如下表7所示。
表7
  组分比   间隙生长速率
  Ir-Ru 4.0wt％-Hf0.010wt％-Nb0.01wt％   0.14
  Ir-Ru 4.0wt％-Hf0.010wt％-Nb0.05wt％   0.13
  Ir-Ru 4.0wt％-Hf0.010wt％-Nb0.1wt％   0.12
  Ir-Ru 4.0wt％-Hf0.010wt％-Nb0.2wt％   0.13
  Ir-Ru 4.0wt％-Hf0.010wt％-Nb0.5wt％   0.10
  Ir-Ru 4.0wt％-Hf0.010wt％-Nb1.0wt％   0.10
  Ir-Ru 4.0wt％-Hf0.010wt％-Nb2.0wt％   0.07
  Ir-Ru 4.0wt％-Hf0.010wt％-Nb3.0wt％   0.09
  Ir-Ru 4.0wt％-Hf0.010wt％-Nb5.0wt％   0.20
  Ir-Ru 4.0wt％-Hf0.010wt％-Nb8.0wt％   0.31
根据该实验的结果，包括从0.01wt％到5.0wt％的铌(Nb)的合金其间隙生长速率小于0.3。尤其是，当铌(Nb)的组分比为大约2.0wt％时间隙生长速率显著降低。
点火塞100运行如下。点火塞100通过螺纹部7与发动机组衔接，提供给燃烧腔室的空气和燃料的混合物位于点火塞100的火花放电间隙g中。两电极端31和32由上述合金制成，使得由于铱的氧化和气化造成的火花部的消耗能够受到抑制，避免了火花放电间隙g的增加。因而，能够提供点火塞100的寿命。

Claims (13)

1、一种点火塞，其包括：
中心电极；
位于所述中心电极外部的绝热器；
位于所述绝热器外部的金属腔体；
一端连接到所述金属腔体、另一端面朝所述中心电极的接地电极；以及
固定于一个或更多个中心电极和接地电极上的电极端，
其中所述电极端由铱、铪和铌的合金制成。
2、如权利要求1所述的点火塞，其中，所述电极端包含0.1wt％到5.0wt％的铪。
3、如权利要求1或2所述的点火塞，其中，所述电极端包含0.1wt％到7.0wt％的铌。
4、一种点火塞，包括：
中心电极；
位于所述中心电极外部的绝热器；
位于所述绝热器外部的金属腔体；
一端连接到所述金属腔体、另一端面朝所述中心电极的接地电极；以及
固定于中心电极和接地电极中至少一个上的电极端，
其中所述电极端由铱、铑和铪的合金制成。
5、如权利要求4所述的点火塞，其中，所述电极端包含0.01wt％到3.0wt％的铪。
6、如权利要求4或5所述的点火塞，其中，所述电极端还包含铌。
7、如权利要求6所述的点火塞，其中，所述电极端包含0.01wt％到5.0wt％的铌。
8、一种点火塞，包括：
中心电极；
位于所述中心电极外部的绝热器；
位于所述绝热器外部的金属腔体；
一端连接到所述金属腔体、另一端面朝所述中心电极的接地电极；以及
固定于一个或更多个中心电极和接地电极上的电极端，
其中所述电极端由铱和钌的合金制成。
9、如权利要求8所述的点火塞，其中，所述电极端包含1.0wt％到5.0wt％的钌。
10、如权利要求8或9所述的点火塞，其中，所述电极端还包含铪。
11、如权利要求10所述的点火塞，其中，所述电极端包含0.01wt％到3.0wt％的铪。
12、如权利要求10所述的点火塞，其中，所述电极端还包含铌。
13、如权利要求12所述的点火塞，其中，所述电极端包含0.01wt％到5.0wt％的铌。
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