CN102138259A

CN102138259A - 复合陶瓷电极、带该电极的点火装置和该装置的构成方法

Info

Publication number: CN102138259A
Application number: CN2009801339674A
Authority: CN
Inventors: 小威廉·J·沃克; 詹姆士·D·莱科斯基
Original assignee: Federal Mogul Ignition Co
Current assignee: Federal Mogul Ignition LLC
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2009-08-18
Publication date: 2011-07-27
Also published as: JP2012501523A; US8384279B2; US8044565B2; KR20110069029A; US20120038262A1; WO2010025055A2; WO2010025055A3; US20100052499A1; EP2329569A2; EP2329569A4

Abstract

提供了火花塞、中心电极和构成方法。火花塞具有大体上为环形的陶瓷绝缘体和导电外壳，该导电外壳围绕陶瓷绝缘体的至少一部分。接地电极可操作性地附接至外壳，并且接地电极具有接地电极发火面。中心电极包括具有中心电极发火面的长型本体。中心电极发火面和接地电极发火面提供了火花隙。中心电极本体由包括至少一种陶瓷材料的复合材料构成。

Description

复合陶瓷电极、带该电极的点火装置和该装置的构成方法

技术领域

本发明大体上涉及用于内燃发动机的点火装置，更具体地涉及用于该点火装置的电极。

背景技术

火花塞是一种火花点火装置，其延伸到内燃发动机的燃烧室中并产生火花以引燃空气燃料混合物。火花塞通常具有：外部陶瓷绝缘体，其与火花塞的其它部件分开制作和烧制；中心电极，其部分地穿过绝缘体并延伸至发火端；以及接地电极，其从外部金属外壳延伸。一般将单独的电阻器部件与电极位于绝缘体内且与该电极发火端相对的一端联接。电阻器进行作用以抑制射频(RF)电磁辐射，这种射频电磁辐射如果不受抑制的话则会影响其它电信号的传递，包括干扰无线电信号。通常，电阻器距分隔开的中心电极发火端和接地电极发火端二者之间的发火间隙越近越好，因为此处是火花产生的位置，因而成为用于生成RF电磁辐射的主要位置。

发动机技术的最新进展导致更高的发动机运行温度，从而实现改进的发动机效率和性能。这种较高的运行温度通过缩短火花塞的使用寿命而对火花塞有着不利影响。具体地，较高的温度迫使火花塞电极接近其材料能力的极限，并且在某些情况下超过该极限，因此导致电极的故障。目前，包括在UNS N06600下规定的镍铬铁合金在内的的镍基合金，如以商标名称Inconel

Nicrofer

和Ferrochronin出售的镍基合金，被广泛用作火花塞电极材料。预计这种电极通常持续达约30,000英里的服务里程(miles in service)，此后一般需要更换。

众所周知，这些镍基的镍铬铁合金的抗高温氧化能力随其运行温度的升高而降低。由于燃烧环境是高度氧化的，因此可能产生包括由高温氧化和硫化引起的变形和破裂在内的腐蚀磨损，并且这种腐蚀磨损尤其在最高的运行温度下会恶化。而且在运行温度的上限(例如，1400°F或更高)，还观察到拉伸强度、蠕变破裂强度和疲劳强度显著降低，这样可能导致电极的变形、裂开和破裂。取决于电极设计、具体运行条件和其它因素，这些高温现象可能单独地以及共同地促使火花隙的不良增长，这增加了引起发出火花所需的电压并且降低了点火装置和相关发动机的性能。在极端情况下，电极、点火装置和相关发动机的故障可能因由这些高温现象导致的电极变形和破裂引起。

解决因受到高性能发动机中升高的温度影响而产生的电极故障的一些已知尝试包括用贵金属如铂或铱来制造电极。尽管这种电极的服务寿命可能使电极的使用寿命增加，一般达到约80,000-100,000英里，但通常仍需要在车辆的寿命内替换这种电极。此外，构成这种电极是非常昂贵的。

因此，需要这样一种火花塞：其具有在高温的发动机环境中呈现增加的使用寿命的电极；其具有对高温氧化、硫化和相关腐蚀性和侵蚀性磨损机理的抵抗性；其抑制RF电磁辐射；其具有充分的高温拉伸强度、蠕变破裂强度和疲劳强度；其抵抗开裂和破裂，足以用于目前及未来的高温/高性能火花点火装置中，并且其制造是经济的。

发明内容

用于火花点火装置的中心电极包括具有长型本体的中心电极，该长型本体具有宽度和沿纵轴线延伸的长度。本体由包括至少一种陶瓷材料的复合材料构成。

根据本发明的另一方面，提供了一种火花塞，其中，该火花塞具有大体上为环形的陶瓷绝缘体和导电外壳，该导电外壳围绕陶瓷绝缘体的至少一部分。接地电极可操作性地附接至外壳，并且接地电极具有接地电极发火面。中心电极具有沿纵轴线延伸至中心电极发火面的长型本体。中心电极发火面和接地电极发火面提供了火花隙。中心电极本体由包括至少一种陶瓷材料的复合材料构成。

根据本发明的又一方面，提供了一种构成火花塞的方法。该方法包括：形成复合材料以形成大体上为环形的陶瓷绝缘体；形成导电外壳，该导电外壳被构造为围绕陶瓷绝缘体的至少一部分；提供操作性地附接至外壳的接地电极；由包括至少一种陶瓷材料的复合材料形成中心电极，以及将绝缘体和中心电极置于外壳中。

附图说明

通过结合以下对目前优选的实施方式及最佳模式、所附的权利要求书及附图所进行的详细描述，可以更容易地理解根据本发明所构成的复合陶瓷电极和火花塞的这些以及其它方面、特点和优点，其中：

图1是根据本发明一个目前优选的方面所构成的火花塞的剖视图；

图2是根据本发明一个目前优选的方面所构成的电极的放大侧视图；

图2A是图2的电极的剖视图；

图3A示出电极的一部分的微观结构；

图3B示出电极的另一部分的微观结构；

图4是根据本发明另一目前优选的方面所构成的火花塞的剖视图；以及

图5是根据本发明又一目前优选的方面所构成的火花塞的剖视图。

具体实施方式

更详细地参照附图，图1大体上以10示出了以下被称为火花塞的火花点火装置，其用于引燃内燃发动机(未示出)内的燃料/空气混合物。根据本发明，火花塞10具有由复合陶瓷/陶瓷材料或复合陶瓷/金属材料构成的中心电极12。用于中心电极12的材料能够承受火花塞10所经历的最极端的温度、压力、化学腐蚀和物理侵蚀状况。这些状况包括：暴露于与燃烧过程相关联的大量高温化学反应物种类，其通常促进氧化、硫化及其它高温腐蚀过程，如由于燃烧产物中的钙和磷产生的那些；以及与火花核和火焰头相关联的等离子反应，其促进了电极12的火花表面(spark surface)的侵蚀。中心电极12基本上避免了循环的热机械应力，循环的热机械应力通常以另外的方式与普通金属合金电极材料和火花塞10的相关部件如绝缘体14的热膨胀系数的不匹配相关联，假设绝缘体14也由陶瓷材料制成。因此，电极12避免高温蠕变变形、开裂和破裂现象，而这类现象通常导致电极的故障。此外，由于中心电极12能够承受或避免上述状况，因此在车辆的整个寿命期间能够基本上维持中心电极12与接地电极18之间的预设的火花隙16。因而，能够在火花塞10的使用寿命期间对穿过火花隙16而产生的火花的形成、位置、形状、持续时间和其它特征进行优化。接着，能够对燃料/空气混合物的燃烧特征以及包含有火花塞10的发动机的性能特征进行优化。

火花塞10包括大体上为环形的陶瓷绝缘体14，该陶瓷绝缘体14可包括氧化铝或其它适合的电绝缘材料，该电绝缘材料具有规定的绝缘强度、高机械强度、高导热性、以及优良的抗热冲击性。绝缘体14可由处于绿色(green)状态的陶瓷粉末模压成型，然后在足以使陶瓷粉末致密和烧结的高温下进行烧结。绝缘体14具有外表面，该外表面可包括大体上以19指示的下部，该下部具有小的下肩部21和大的上肩部23，外表面还具有部分暴露的上杆部20，上杆部20从上肩部23向上延伸，橡胶或其它绝缘火花塞套(未示出)围绕且夹紧该上杆部20，从而对与点火导线和系统(未示出)的电连接进行电绝缘。暴露的杆部20可包括一系列凸棱22或其它表面上釉(glazing)或特征以提供针对火花或副电压飞弧的附加保护，并且改善杆部20与火花塞套的夹紧作用。绝缘体14具有大体上为管形或环形的构造，包括在上部终端26与下部本体鼻端28之间纵向延伸的中心通道24。参考图1的实施方式，中心通道24具有变化的横截面积，该横截面积一般在终端26处或邻近终端26处为最大，而在本体鼻端28处或邻近本体鼻端28处为最小，并且在终端26与本体鼻端28之间存在过渡肩部27，但是其它通道构造也是可能的且被考虑为符合本发明。

火花塞包括导电金属外壳30。金属外壳30可由任何适合的金属制成，包括各种带涂层和无涂层的钢合金。外壳30具有大体上为环形的内表面32，该内表面32围绕绝缘体14的下部19的外表面并且适于与该外表面密封接合，内表面32还具有附接至外壳30的接地电极18，接地电极18保持于地电势。虽然接地电极18被示出为常用的单个L形类型，但是可以理解，取决于火花塞10的预期应用，接地电极18可被替换为具有直的、弯曲的、环形的、圆锥形的和其它构造的多个接地电极，包括两个、三个和四个接地电极的构造、以及其中电极通过环形圈和用于实现具体发火面构造的其它结构而连接在一起的那些构造。接地电极18具有一个或多个接地电极点火面或发火面34，发火面34位于发火端36并且邻近且部分地包围位于接地电极18与中心电极12之间的火花隙16，中心电极12还具有位于发火端39的相关联的中心电极发火面38。取决于电极的相对定向及其各自的发火端和发火面，火花隙16可以是端部间隙、侧向间隙或表面间隙或其组合。接地电极发火面34和中心电极发火面38均可具有任何适合的横截面形状，包括平的、弓形的、锥形的、尖的、有面的(faceted)、圆形的、矩形的、正方形的和其它形状，而这些发火面的形状可以不同。中心电极12可具有任何适合的横截面尺寸或形状包括圆形的、正方形的、矩形的，或其它形状或尺寸。此外，发火端36可具有任何适合的形状。发火端可具有减少的横截面尺寸，并且可具有与中心电极的其它部分不同的横截面形状。

外壳30在其本体部分大体上呈管形或环形并且包括：内部下压紧凸缘40，其被构造为以压紧接触的方式抵靠绝缘体14的小的相配下肩部21；以及上压紧凸缘42，其在组装操作过程中被卷折或成形翻折以通过中间填充材料44压靠在绝缘体14的大的上肩部23上。外壳30还可包括环形的可变形区域46，该环形的可变形区域46被设计且被构造从而响应于加热可变形区域46以及在上部压紧凸缘42发生变形过程中或之后相关联地施加压倒性的轴向压紧力，可变形区域46轴向和径向向外形变，使外壳30相对于绝缘体14保持在固定的轴向位置并且在绝缘体14与外壳30之间形成气密径向密封。还可在绝缘体14和外壳30之间置入垫片、接合剂、或其它填充或密封复合物以完善气密密封并且改善组装的火花塞10的结构完整性。

外壳30可设有外部工具接收六角形48或用于将火花塞在燃烧室开口中移除和安装的其它特征。优选地，特征尺寸与用于相关应用的这种类型的工业标准工具尺寸相符。当然，一些应用可要求工具接收接口而不是六角形，工具接收接口诸如接收活动扳手的狭槽，或如在竞赛火花塞和其它应用中已知的其它特征。在外壳30的下部且紧邻密封座52之下形成有螺纹部分50。密封座52可与垫片54相配以提供适合的接口，火花塞10压靠该接口并提供外壳30的外表面与燃烧室开口中的螺纹孔之间的空间的热气密封。可替换地，密封座52可被构造为沿外壳30的下部设置的锥形座以在气缸盖中提供紧公差和自密封安装，气缸盖还被设计为具有与该类型的火花塞座相配的锥形。

导电接线柱56部分地置于绝缘体14的中心通道24中，并且从暴露的顶柱58纵向延伸至底端60，底端60嵌入沿中心通道24的一部分处。顶柱58被构造为用于连接至点火导线(未示出)，该点火导线通常被接收在本文中所述的电绝缘套中，并且顶柱58接收通过生成穿过火花隙16的火花来使火花塞10发火所需的定时高压电流放电。

接线柱56的底端60嵌入导电玻璃密封62内。导电玻璃密封62用于对接线柱56的底端60和中心通道24进行密封以防燃烧气体泄露以及在接线柱56与中心电极12之间建立电连接。玻璃的许多其它构造和其它密封是众所周知的，并且也可以根据本发明使用。此外，可在接线柱56的底端60与中心电极12的上端或头部64之间设有如公知的那样由已知用于减少电磁干扰(EMI)的任何适合的成分所制成的电阻器层(未示出)，尽管并不认为有必要用这种电阻器层来替代中心电极12的构造。因此，来自点火系统的电荷行进穿过接线柱56的底端60、穿过玻璃密封62、以及穿过中心电极12。

中心电极12部分地设置在绝缘体14的中心通道24中并且具有细长本体63，细长本体63从其被封在玻璃密封62中的扩大的径向向外扩开头部64沿纵轴线66延伸至其从绝缘体14的鼻端28向外突出的发火端38，但是与接地电极18的发火面34分隔开。中心电极12的本体63被形成为的实心的、一体式、单体导电或半导电复合陶瓷结构，其在中心电极12的头部64与发火端38之间连续且不间断地延伸。取决于在具体火花塞应用中寻求的具体属性，该复合陶瓷结构可被制造成具有至少两种不同的复合材料，并且或者可以是陶瓷-陶瓷复合物，或者可以是陶瓷-金属(CERMET)复合物。如果被构造为陶瓷-陶瓷复合物，那么一个示例性复合材料结构示例包括硅的氮化物(Si₃N₄)和钼的二硅化物(MoSi₂)的复合物。如图2A中示意性示出的那样，复合材料的浓度(concentration)在大体上垂直于轴线66而取得的横截面中且在本体的整个宽度上变化。因此，沿大体上垂直于轴线66取得的横截面观察，本体63具有不同陶瓷材料的非均匀浓度。在整个宽度上的成分差异为中心电极12提供绝缘的外周外部68和导电的内本体部70，其中内本体部70被外部68沿电极12的长度围绕且封装。应认识到，为了允许与导电的内本体部70以及通过内本体部70进行直接电连通，尽管内本体部70被外部68沿电极12的长度封装，但是本体部70在相反两端是暴露的。

在非限制性的一个示例性的实施方式中，可将外部68的复合物设置为具有约28％的MoSi₂和约72％的Si₃N₄(在图3A中显微地示出)，可将本体部70的复合物设置为具有约43％的MoSi₂和57％的Si₃N₄(在图3中显微地示出)。因此，芯部70提供了沿电极12的整个长度延伸的导电内区，外部68提供了沿电极12的整个长度延伸的绝缘区。应认识到，上述复合材料仅作为示例，可以使用其它材料。例如，可将绝缘陶瓷复合材料设置为铝的氧化物、铝的氮化物、铝的氮氧化物(aluminum oxy-nitride)、或硅铝的氮氧化物(silicon aluminumoxynitride)，而可将导电陶瓷材料设置为钛的氮化物、钛的二硼化物。另外，如果将电极12设置为陶瓷-金属(cermet)复合物，那么可将导电复合材料设置为金属，例如诸如铂、铱、镍或镍合金。如前所述，取决于对电极12期望的性能需求，绝缘复合材料和导电陶瓷复合材料各自的百分比浓度可在电极12的整个宽度上和/或沿电极12的长度而变化。因此，电极12的电阻水平可沿电极变化并且可在沿电极的任何位置处变化且可精确地定位以抑制射频噪声，可对外部68和芯部70的绝缘和导电特性如所期望的那样来设置。使电极12的电阻的位置变化的这种能力允许增加的电阻更紧邻火花隙16定位，因此优化了抑制射频噪声的能力。

虽然中心电极12在图1中被示出为由于扩开的上端或头部64而具有带头部的销式(pin)构造，但是本发明还包含头部位于电极相反端(即，邻近发火端36)的所有方式的布置。此外，如图4以示例方式且非限制性地示出，其中使用以系数100偏移的参考数字来指示与如上所述类似的特征，火花塞110的电极112可被构造为直的圆柱形构造，因此良好地适合于以挤出工艺成形以及与绝缘体114一起被共同烧制或烧结，从而通过大体上以72表示的烧结结合物使电极112与绝缘体陶瓷材料永久地结合。因此，绝缘体14和电极12可被构造为单体子组件，其制造是经济的。此外，如图5所示，其中使用以系数200偏移的参考数字来指示与如上所述类似的特征，火花塞210的电极212可被构造为具有外表面的直的圆柱形构造，其具有恒定的或基本上恒定的直径并且延伸的长度以使其在位于火花塞的绝缘体214内的中心通道224的整个长度上延伸。因此，绝缘体214的中心通道224可被形成为具有恒定或基本上恒定的直径的圆柱形的贯通通道，并且该中心通道224的尺寸被确定以使其紧密且压紧地接收电极212，其中电极212的相反的上端264和发火端239分别与绝缘体214的相反的终端226和鼻端228齐平或基本上齐平。因此，火花塞210不具有传统的中心电阻器层和玻璃密封，因为取决于用于构造电极212的陶瓷材料的复合物，电极212完全地穿过通道224延伸且执行期望的电阻功能。此外，与电极112一样，电极212可与绝缘体214一起被共同烧制或烧结以通过大体上以272表示的烧结结合物使电极212与绝缘体陶瓷材料永久地结合。因此，绝缘体214和电极212可被构造为单体子组件，其制造是经济的。应认识到，示出的这些构造中，电极的直径可被构造成沿其长度并且或者以步进的、渐缩的或者以其它方式如期望的那样变化。中心电极12、112、212可具有任何适合的横截面尺寸或形状，包括圆形、正方形、矩形、或其它的形状或尺寸。此外，发火端39、139、239可具有任何适合的形状。发火端可具有减少的横截面尺寸，并且可具有与中心电极的其它部分不同的横截面形状。发火面38、138、238可以是任何适合的形状，包括平的、弯曲的、锥形的、尖的、带面的或其它形状。

可通过使用制造上述类型陶瓷物品的任何适合方法来形成本发明的中心电极12，任何适合方法包括注模和烧结、挤出和烧结或压制和烧结。此外，假设中心电极12可以是陶瓷-陶瓷复合结构，那么在制造中，该中心电极可与绝缘体14被烧结或烧制在一起。这允许中心电极12永久地定位以及结合在绝缘体14内，如果需要的话。

显然，根据上述教导，可以对本发明进行许多修改和变化。因此，可以理解，在所附的权利要求书的范围内，可以以与具体描述的不同的方式实施本发明。

Claims

1.一种中心电极，其用于火花点火装置，所述中心电极包括：

长型本体，具有宽度和沿纵轴线延伸的长度，所述本体由包括至少一种陶瓷材料的复合材料构成。

2.如权利要求1所述的中心电极，其中，所述复合材料是两种不同陶瓷材料的复合物。

3.如权利要求2所述的中心电极，其中，所述本体在其大体上垂直于所述纵轴线延伸的整个宽度上具有不同陶瓷材料的非均匀浓度。

4.如权利要求3所述的中心电极，其中，所述本体具有外周外部和被所述外周外部围绕的内芯部，所述外周外部由较高浓度的一种陶瓷材料构成，芯部由较高浓度的另一种陶瓷材料构成，所述一种陶瓷材料的导电性低于所述另一种陶瓷材料。

5.如权利要求4所述的中心电极，其中，所述一种陶瓷材料由以下的至少之一来提供：铝的氧化物、铝的氮化物、铝的氮氧化物、硅的氮化物、和硅铝的氮氧化物。

6.如权利要求5所述的中心电极，其中，所述另一种陶瓷材料由以下的至少之一来提供：钛的氮化物、钼的二硅化物和钛的二硼化物。

7.如权利要求1所述的中心电极，其中，所述复合材料包括金属材料。

8.如权利要求7所述的中心电极，其中，所述本体具有复合外周外部和被所述复合外周外部围绕的复合内芯部，所述复合外周外部由较高浓度的所述至少一种陶瓷材料构成，芯部由较高浓度的所述金属材料构成。

9.如权利要求8所述的中心电极，其中，所述至少一种陶瓷材料由以下的至少之一来提供：铝的氧化物、铝的氮化物、铝的氮氧化物、硅的氮化物、和硅铝的氮氧化物。

10.如权利要求9所述的中心电极，其中，所述金属材料由以下的至少之一来提供：铂、铱、镍和镍合金。

11.一种火花塞，包括：

大体上为环形的陶瓷绝缘体；

导电外壳，围绕所述陶瓷绝缘体的至少一部分；

接地电极，操作性地附接至外壳，所述接地电极具有接地电极发火面；

中心电极，包括具有中心电极发火面的长型本体，所述中心电极发火面和所述接地电极发火面提供火花隙，所述本体由包括至少一种陶瓷材料的复合材料构成。

12.如权利要求11所述的火花塞，其中，所述复合材料是两种不同陶瓷材料的复合物。

13.如权利要求12所述的火花塞，其中，所述本体在大体上垂直于纵轴线延伸的整个平面上具有不同陶瓷材料的非均匀浓度。

14.如权利要求13所述的火花塞，其中，所述本体具有外周外部和被所述外周外部围绕的内芯部，所述外周外部由较高浓度的一种陶瓷材料构成，芯部由较高浓度的另一种陶瓷材料构成，所述一种陶瓷材料的导电性低于所述另一种陶瓷材料。

15.如权利要求14所述的火花塞，其中，所述一种陶瓷材料由以下的至少之一来提供：铝的氧化物、铝的氮化物、铝的氮氧化物、硅的氮化物、和硅铝的氮氧化物。

16.如权利要求15所述的火花塞，其中，所述另一种陶瓷材料由以下的至少之一来提供：钛的氮化物、钼的二硅化物和钛的二硼化物。

17.如权利要求11所述的火花塞，其中，所述复合材料包括金属材料。

18.如权利要求17所述的火花塞，其中，所述本体具有复合外周外部和被所述复合外周外部围绕的复合内芯部，所述复合外周外部由较高浓度的所述至少一种陶瓷材料构成，芯部由较高浓度的所述金属材料构成。

19.如权利要求18所述的火花塞，其中，所述至少一种陶瓷材料由以下的至少之一来提供：铝的氧化物、铝的氮化物、铝的氮氧化物、硅的氮化物、和硅铝的氮氧化物。

20.如权利要求19所述的火花塞，其中，所述金属材料由以下的至少之一来提供：铂、铱、镍和镍合金。

21.如权利要求11所述的火花塞，其中，所述本体为所述复合材料的单体件。

22.一种构成火花塞的方法，包括：

形成陶瓷材料，以形成大体上为环形的陶瓷绝缘体；

形成导电外壳，所述导电外壳被构造为围绕所述陶瓷绝缘体的至少一部分；

提供操作性地附接至外壳的接地电极；

由包括至少一种陶瓷材料的复合材料形成中心电极；以及

将绝缘体和所述中心电极置于外壳中。

23.如权利要求22所述的方法，还包括：在将绝缘体和所述中心电极置于外壳中之前，将绝缘体和所述中心电极烧结在一起。

24.如权利要求22所述的方法，还包括：将所述中心电极形成为具有外周外部和内芯部，以及用较高浓度的一种陶瓷材料形成所述外周外部，用较高浓度的与所述一种陶瓷材料不同的另一种陶瓷材料形成芯部。

25.如权利要求22所述的方法，还包括：将所述中心电极形成为具有复合外周外部和复合内芯部，所述复合外周外部包括至少一种陶瓷材料，芯部包括至少一种金属材料。