CN107408795A - 具有抗结垢涂层的火花塞绝缘体以及用于使结垢最少的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于火花塞的绝缘体，包括包绕端子的第一节段、从第一节段延伸的第二节段、以及从第二节段延伸的第三节段。间隙设置在绝缘体的第三节段和外壳之间。具有至少一层的至少一个涂层设置在第三节段的表面上。

Description

具有抗结垢涂层的火花塞绝缘体以及用于使结垢最少的方法

交叉引用

本申请基于35U.S.C.§119(e)请求享有2015年1月29日提交的美国临时专利申请第62/109133号的优先权的利益，该申请的全部公开内容并入本文中。

技术领域

本公开内容大体上涉及火花塞，且更具体而言涉及用于将涂层施加至火花塞的绝缘体来使结垢最少的方法。

背景技术

用作内燃机中的点火器的火花塞经历称为"结垢"的状态。经过一定时间，碳和其他燃烧产物可累积在火花塞上，包括火花塞的绝缘体末梢的表面上，其通常定位在未混合的燃料的边界处或附近、或中心电极末梢处或附近。汽油机的燃烧产物包括燃料添加剂的颗粒，诸如甲基茂基三羰基锰(MMT)和二茂铁，其通常加入汽油作为辛烷增强物。一般而言，位于火花塞的火花点附近的累积的烟灰将由于燃烧过程的热而烧尽。然而，由于绝缘体末梢的暴露的表面可能不位于中心电极末梢和地电极之间的火花间隙中或周围，故沿绝缘体末梢的累积的燃烧烟灰可能无法烧尽。如果大量的这些燃烧产物累积，则火花可能无法适当地形成在中心电极和地电极之间。更具体而言，累积的燃烧烟灰产生电短路，使得来自中心电极的电荷行进跨过绝缘体的表面，且回到外金属壳，而不是跨过火花间隙至地电极。该过程称为"结垢"。

如上文所述，MMT和/或其他添加剂加入汽油或燃料来提高辛烷数，而不是使用更昂贵的精炼过程。加入燃料的MMT生成传导性燃烧残余物，其沉积在燃机的内表面上，包括延伸到发动机燃烧室中的火花塞的绝缘体上。已经发现火花塞绝缘体的表面上的MMT沉积物显著地降低火花塞绝缘体的电阻性，且可在点火事件期间引起侧烧(side-firing)或不着火(misfiring)的情况。MMT沉积物继而极大地减少火花塞的使用寿命，从而导致了火花塞的频繁替换而引起的高成本。MMT沉积物还可减少燃料里程和/或增加烃排放。尽管已经开发了一些方法来使MMT沉积物减少或最少，但目前的方法具有其挑战。

发明内容

在示范性实施例中，一种用于内燃机的火花塞包括：在第一端部处具有中心电极末梢且在与第一端部相对的第二端部附近具有端子的长形中心电极、包绕中心电极的至少一部分的绝缘体、以及包绕绝缘体的至少一部分的外壳。绝缘体包括：包绕端子的至少一部分的第一节段、从第一节段延伸的第二节段、以及从第二节段延伸的第三节段，其中间隙设置在绝缘体的第三节段和外壳之间，使得绝缘体的第三节段的至少一部分在火花塞设置在内燃机内时暴露于燃烧室。涂层施加至第三节段的至少一部分，其中涂层由设置在第三节段的表面的至少一部分上的第一层和设置在第一层的至少一部分上的第二层形成。

在其他示范性实施例中，一种用于火花塞的绝缘体包括：包绕端子的至少一部分的第一节段、从第一节段延伸的第二节段、以及从第二节段延伸的第三节段。涂层施加至第三节段的至少一部分，其中涂层由设置在第三节段的表面的至少一部分上的第一层和设置在第一层的至少一部分上的第二层形成。

在本文的任何实施例中，第一层和第二层中的每一个可由釉材料形成，其中釉材料对于第一层和第二层两者可为相同的。

在本文的任何实施例中，第一层可由具有第一软化点的第一釉材料形成，且第二层可由具有低于第一软化点的第二软化点的第二釉材料形成。

在本文的任何实施例中，第一釉材料和第二釉材料可为不同的材料。

在本文的任何实施例中，第一层的第一厚度和第二层的第二厚度可为不同的。

在本文的任何实施例中，涂层可在绝缘体的设置在中心电极附近的端部和外壳将绝缘体保持就位的点之间延伸。

在本文的任何实施例中，涂层可沿绝缘体的表面延伸，且终止于与中心电极间隔开的点或外壳将绝缘体保持就位的点。

在本文的任何实施例中，第三层可设置在第二层的至少一部分上。

在本文的任何实施例中，第一层可由第一釉材料形成，且第二层可由第二釉材料形成，其中第一釉材料和第二釉材料中的至少一者包括耐火粉末。

在本文的任何实施例中，耐火粉末可选自以下组成的组：高温陶瓷粉末、氧化铝、氧化锆(ZrO₂)、多铝红柱石、氧化钇(Y₂O₃)、氧化镁(MgO)、氧化镧(La₂O₃)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、和它们的组合。

在本文的任何实施例中，间隙可形成在绝缘体和中心电极之间。

在本文的任何实施例中，绝缘体的第三节段可从第二节段附近的第一端部朝与第二节段相对的第二端部渐缩，使得绝缘体的在第二端部处的厚度小于绝缘体的在第一端部处的厚度。

在另外的示范性实施例中，一种用于内燃机的火花塞包括：在第一端部处具有中心电极末梢且在与第一端部相对的第二端部附近具有端子的长形中心电极、包绕中心电极的至少一部分的绝缘体、以及包绕绝缘体的至少一部分的外壳。绝缘体包括：包绕端子的第一节段、从第一节段延伸的第二节段、以及从第二节段延伸的第三节段，其中间隙设置在绝缘体的第三节段和外壳之间，使得绝缘体的第三节段的至少一部分在火花塞设置在内燃机内时暴露于燃烧室。第一涂层施加至第三节段的第一部分，且第二涂层施加至第三节段的第二部分，其中第二涂层的至少一部分设置在第一涂层和第二节段之间。

在示范性实施例中，一种用于火花塞的绝缘体包括：包绕端子的第一节段、从第一节段延伸的第二节段、以及从第二节段延伸的第三节段。第一涂层施加至第三节段的第一部分，且第二涂层施加至第三节段的第二部分，其中第二涂层的至少一部分设置在第一涂层和第二节段之间。

在本文的任何实施例中，第一涂层和第二涂层可邻接彼此。

在本文的任何实施例中，第一涂层和第二涂层可不重叠。

在本文的任何实施例中，第一涂层可由具有第一软化点的第一釉材料组成，且第二涂层可由具有低于第一软化点的第二软化点的第二釉材料组成。

在本文的任何实施例中，第一釉材料和第二釉材料可为不同的材料。

在本文的任何实施例中，第三涂层可施加至第三节段的在第二涂层和第二节段之间的第三部分。

在本文的任何实施例中，第一涂层可由第一釉材料形成，且第二涂层可由第二釉材料形成，其中第一釉材料和第二釉材料中的至少一者包括耐火粉末。

在本文的任何实施例中，耐火粉末可选自以下组成的组：高温陶瓷粉末、氧化铝、氧化锆(ZrO₂)、多铝红柱石、氧化钇(Y₂O₃)、氧化镁(MgO)、氧化镧(La₂O₃)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、和它们的组合。

在任何实施例中，一种用于火花塞的绝缘体包括：包绕端子的至少一部分的第一节段、从第一节段延伸的第二节段、从第二节段延伸的第三节段、以及施加至第三节段的至少一部分的涂层，其中涂层由设置在第三节段的表面的至少一部分上的第一层和设置在第一层的至少一部分上的第二层形成。

在任何实施例中，第一层和第二层中的每一个由釉材料形成，且釉材料对于第一层和第二层两者可为相同的。

在任何实施例中，第一层可由具有第一软化点的第一釉材料形成，且第二层可由具有第二软化点的第二釉材料形成，且第二软化点可低于第一软化点。

在任何实施例中，第一釉材料和第二釉材料可为不同的材料。

在任何实施例中，第一层的第一厚度和第二层的第二厚度可为不同的。

在任何实施例中，第三层可设置在第二层的至少一部分上。

在任何实施例中，第一层可由第一釉材料形成，且第二层可由第二釉材料形成，其中第一釉材料和第二釉材料中的至少一者包括耐火粉末。

在任何实施例中，耐火粉末可选自以下组成的组：高温陶瓷粉末、氧化铝、氧化锆(ZrO₂)、多铝红柱石、氧化钇(Y₂O₃)、氧化镁(MgO)、氧化镧(La₂O₃)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、和它们的组合。

在任何实施例中，间隙可形成在绝缘体和中心电极之间。

在任何实施例中，绝缘体的第三节段可从第二节段附近的第一端部朝与第二节段相对的第二端部渐缩，使得绝缘体的在第二端部处的厚度小于绝缘体的在第一端部处的厚度。

在任何实施例中，一种用于火花塞的绝缘体包括：包绕端子的第一节段、从第一节段延伸的第二节段、从第二节段延伸的第三节段、以及施加至第三节段的第一部分的第一涂层、以及施加至第三节段的第二部分的第二涂层，其中第二涂层的至少一部分设置在第一涂层和第二节段之间。

在任何实施例中，第一涂层和第二涂层可邻接彼此且可不重叠。

在任何实施例中，第一涂层可由具有第一软化点的第一釉材料组成，且第二涂层可由具有低于第一软化点的第二软化点的第二釉材料组成。

在任何实施例中，第一釉材料和第二釉材料可为不同的材料。

在任何实施例中，第三涂层可施加至第三节段的在第二涂层和第二节段之间的第三部分。

在任何实施例中，第一涂层可由第一釉材料形成，且第二涂层可由第二釉材料形成，其中第一釉材料和第二釉材料中的至少一者包括耐火粉末。

在任何实施例中，耐火粉末选自以下组成的组：高温陶瓷粉末、氧化铝、氧化锆(ZrO₂)、多铝红柱石、氧化钇(Y₂O₃)、氧化镁(MgO)、氧化镧(La₂O₃)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、和它们的组合。

附图说明

本专利或申请文件含有至少一个以彩色制作的附图。具有一个或多个彩色附图的本专利或专利申请公布的副本在请求和支付必要费用后将由办公室提供。

本公开内容的前面及其他特征和优点从结合附图进行的以下详细描述中显而易见，在附图中：

图1是绘出现有技术的火花塞的截面视图，包括中心电极、包绕中心电极的绝缘体、包绕绝缘体的金属壳、以及从金属壳延伸且与中心电极间隔开以产生与中心电极的火花间隙的地电极；

图2是本公开内容的火花塞的第一实施例的局部截面视图，其中火花塞的绝缘体绘出为具有由相同的一种或多种釉材料的多个层组成的涂层；

图3是本公开内容的火花塞的第二实施例的局部截面视图，其中火花塞的绝缘体绘出为具有由不同的一种或多种釉材料的多个层组成的涂层；

图4是本公开内容的火花塞的第三实施例的局部截面视图，其中火花塞的绝缘体绘出为具有设置在其中的多个涂层；

图5是绘出沿典型火花塞的绝缘体的一部分的温度梯度的图片；

图6是具有渐缩以产生变窄末梢的节段的绝缘体的截面视图；

图7是具有在中心电极和绝缘体的一部分之间形成间隙的切口的绝缘体的截面视图；

图8示出了在2012福特2.5-L发动机上MMT测试100小时之后的照片，其中(a)具有未涂布的绝缘体的对照火花塞，(b)具有涂布有2号涂层的绝缘体的火花塞，以及(c)具有涂布有3号涂层的绝缘体的火花塞；

图9示出了在2012福特2.5-L发动机上MMT测试300小时之后的照片，其中(a)具有未涂布的绝缘体的对照火花塞，(b)具有涂布有2号涂层的绝缘体的火花塞，以及(c)具有涂布有3号涂层的绝缘体的火花塞；

图10示出了300小时MMT测试之后的电阻对绝缘体末梢上的位置的图表；

图11示出了由元素分析研究的火花塞的中部区域的截面扫描电子显微镜(SEM)图像；

图12分别示出了(a)具有未涂布的绝缘体的对照火花塞的中部节段上沉积的MMT的100x的SEM图像，以及(b)具有未涂布的绝缘体的对照火花塞的中部节段上沉积的MMT的300x的SEM图像；

图13分别示出了(a)具有涂布有1号涂层的绝缘体的活塞花的中部节段上沉积的MMT的100x的SEM图像，以及(b)具有涂布有3号涂层的绝缘体的火花塞的中部节段上沉积的MMT的300x的SEM图像；

图14分别示出了(a)具有涂布有3号涂层的绝缘体的活塞花的中部节段上沉积的MMT的100x的SEM图像，以及(b)具有涂布有3号涂层的绝缘体的火花塞的中部节段上沉积的MMT的300x的SEM图像；

图15示出了由能量弥散x射线(EDX)元素分析确定的具有未涂布的绝缘体的对照火花塞的中部节段上沉积的MMT中含有的元素的分布和相对比例的图表；且

图16示出了如由EDX元素分析确定的具有涂布有1号涂层的绝缘体的火花塞的中部节段上沉积的MMT中含有的元素的分布和相对比例的图表。

本主题在说明书的结束部分处的权利要求中具体指出且明确请求保护。在考虑以下详细描述时，本公开内容的其他方面和优点将变得显而易见，其中类似的结构具有相似或类似的参照标号。

具体实施方式

本申请针对用于施加至火花塞绝缘体的涂层、用于施加此涂层的方法、以及用于使结垢最少的方法。尽管本申请的方法可体现为许多不同形式，但本文论述了若干特定实施例，其中要理解本申请仅认作是本申请的原理的范例，且其不旨在使本申请限于所示的实施例。

图1中绘出了示例性现有技术的火花塞10，其中可实施本公开内容的方法。火花塞10设计成用于内燃机。火花塞10穿过设在发动机头部(未示出)中的螺纹开孔突出到发动机的燃烧室(未示出)中。火花塞10包括沿火花塞10的轴向长度延伸的柱状中心电极12、同心地包绕中心电极12的陶瓷或类似地包括的绝缘体14、以及同心地包绕绝缘体14且大体上由金属材料制成的外壳16。

在图1中的示例性火花塞10中，中心电极12的末梢部分11可在火花塞10的一个端部处延伸远离绝缘体14。中心电极12的末梢部分11可备选地终止成与绝缘体14的末梢18的外缘对准。不管怎样，贵金属末梢28可附接在中心电极12的端部处。中心电极12可由诸如镍、金、钯、铱、铂、或任何适合形式的其一些合金制成，以用于允许适当的火花塞的功能。例如，由细线组成的贵金属末梢28可加入中心电极12的端部，以改善耐磨性，且保持中心电极12和/或联接至外壳16的地电极44之间的火花间隙。

如图1中所示，绝缘体14可具有长形的大致柱状本体，其具有变化直径的多个节段。更具体而言，绝缘体14包括包绕火花塞10的端子26的至少一部分的第一节段50、从第一节段50延伸且可具有比第一节段50的直径较小的直径的第二节段52、以及从第二节段52延伸且与第一节段50相对的第三节段54，其可具有比第一节段50和第二节段52的直径较小的直径。第三节段54由绝缘体14的暴露于燃烧室的一部分形成。更具体而言，第三节段54在垫圈座56将绝缘体14固持在外壳16内的点P1以及绝缘体末梢18的外缘或顶缘处的点P2之间延伸。绝缘体末梢18是绝缘体的延伸超过外壳16且大致包绕贵金属末梢28(如果存在)附近的中心电极12的部分。

外壳16可包括一体的外螺纹部分38，以用于与发动机和/或六角螺母(未示出)接合来在其接合在发动机中时利用扳手上紧火花塞10。延伸远离外壳16的地电极44连接至外壳16。地电极44和中心电极12的贵金属末梢28限定火花塞间隙30。地电极44与外壳16的螺纹部分38电连接，以在火花塞10安装在发动机气缸中时形成电地极。

火花塞10构造成用于汽车发动机中，汽车发动机将电流供应至火花塞10以产生火花。特别地，中心电极12的一个端部通过导电玻璃密封件24电连接至端子柱22。在备选实施例中，附加电阻器元件25可附接至玻璃密封件24。如相关领域中已知的那样，端子柱22可由钢或具有镀镍精整的钢基合金材料制成。端子柱22还连接至端子26，端子26从绝缘体突出，且在连接时附接至将电流供应至火花塞10的点火电缆(未示出)。

尽管为了示例性目的在图1中绘出了特定火花塞10，但本领域的技术人员将理解的是，本公开内容的原理大体上涉及绝缘体14和绝缘体的特征，且因此可应用于具有绝缘体的任何火花塞。

火花塞100(类似于图1的火花塞10)和将抗结垢涂层(例如，抗MMT结垢涂层)施加至火花塞100的方法的第一实施例在图2中绘出。火花塞100包括具有由至少两层102、104形成的涂层101的绝缘体14。层102、104中的每一个由一种或多种釉材料形成。在示例性实施例中，两层102、104可由相同的一种或多种釉材料形成，以增大整个涂层101的厚度，例如使得涂层能够吸收更多MMT沉积物。火花塞100可以以典型方式制造，且随后施加涂层101。在示例性实施例中，可施加涂层101的层102、104两者，且涂层101随后可烧制。在另一个示例性实施例中，涂层101的第一层102可施加和烧制，且随后，涂层101的第二层104可施加和烧制。

尽管涂层101示为具有两层，但涂层101可具有两层或更多层。如果使用多于两层，则绝缘体可在施加各层之后、施加所有层之后、或在任何适合的间隔烧制。在具有三层的一个示例性实施例中，第一层可施加和烧制，且然后第二层和第三层可施加和烧制。

关于图2描述的层中的任何一者或多者可具有相同或不同的厚度。此外，独立层的沿纵向轴线46的长度L1可为相同的，或绝缘体14附近的最内层可具有小于设置在最内层上的层的长度。在示例性实施例中，从最内层到最外层的各层的长度可逐渐变小。尽管层102、104在图1中出现为在绝缘体14的顶缘106处开始且沿暴露于燃烧室(至外壳16和绝缘体14之间的垫圈座56)的绝缘体14的整体延伸，但层中的一者或多者可不延伸绝缘体14的暴露部分的整体长度。在示范性实施例中，层102、104中的一者或多者可围绕绝缘体末梢18的顶缘106延伸至中心电极12附近或与其略微间隔开的点。在示例性实施例中，层102、104中的每一个可在绝缘体14的末梢部分18的顶缘106处开始，且/或可不延伸至外壳56的垫圈座56。换言之，层102、104中的该一者或多者可不沿设置在燃烧室内的绝缘体14的整体延伸。

火花塞110(类似于图1的火花塞10)和将抗结垢涂层(例如，抗MMT结垢涂层)施加至火花塞110的方法的第二实施例在图3中绘出。火花塞110包括具有由至少两层112、114形成的涂层111的绝缘体14。层112、114中的每一个由一种或多种釉材料形成。在示例性实施例中，两层112、114可由不同的一种或多种釉材料形成。在示例性实施例中，内层112为较高软化点的釉材料，且外层114是较低软化点的釉。火花塞110可以以典型方式制造，且随后可施加涂层111。在示例性实施例中，涂层111的层112、114两者可施加，且涂层111可随后烧制。在另一个示例性实施例中，涂层111的第一层112可施加和烧制，且随后，涂层111的第二层114可施加和烧制。

尽管涂层111示为具有两层，但涂层111可具有两层或更多层。如果使用多于两层，则在示范性实施例中，从最内层到最外层的各层可具有逐渐降低的软化点。此外，如果使用两层或更多层，则绝缘体14可在施加各层之后、施加所有层之后、或在任何适合的间隔烧制。在具有三层的一个示例性实施例中，第一层可施加和烧制，且然后第二层和第三层可施加和烧制。

带具有不同釉材料的两层或更多层的涂层111允许最外层114(具有较低软化点)在较低温度下主动地吸收例如MMT沉积物。更具体而言，当外层114的釉材料开始软化时，外层114的釉材料开始吸收MMT沉积物，MMT沉积物然后可由于脱玻作用(devitrification)与外层114的釉材料一起剥落。一旦外层114的釉材料开始剥落且温度进一步升高，则内层112的釉材料开始软化且吸收MMT沉积物。多于两层将提供具有更大变化的软化点且因此其釉材料剥落的变化温度的相同效果。

关于图3描述的层中的任何一者或多者可具有相同或不同的厚度。此外，独立层的沿纵向轴线46的长度L2可为相同的，或绝缘体14附近的最内层可具有小于设置在最内层上的层的长度。在示例性实施例中，各层的长度可从最内层到最外层逐渐变大。尽管层112、114在图3中出现为在绝缘体14的顶缘106处开始且沿暴露于燃烧室(至外壳16和绝缘体14之间的垫圈座56)的绝缘体14的整体延伸，但层中的一者或多者可不延伸绝缘体14的暴露部分的整体长度。在示例性实施例中，层112、114中的每一个可在绝缘体14的末梢部分18的端部106处开始，且/或可不延伸至外壳56的垫圈座56。换言之，层112、114中的该一者或多者可不沿设置在燃烧室内的绝缘体14的整体延伸。

火花塞130(类似于图1的火花塞10)和将抗结垢涂层(例如，抗MMT结垢涂层)施加至火花塞130的方法的第三实施例在图4中绘出。火花塞130包括绝缘体14，其具有形成在绝缘体14的表面上的第一涂层132和第二涂层134。在示范性实施例中，第一涂层132从绝缘体14上的在中心电极12附近的点延伸至沿绝缘体14的第三节段54的长度的点。备选地，第一涂层132可在与中心电极12间隔开的点处开始。在示范性实施例中，第二涂层134邻接第一涂层132，且延伸至垫圈座56附近的点。第二涂层134设置在第一涂层132和绝缘体14的第二节段54之间。备选地，第二涂层134可不延伸至垫圈座56。在其他示范性实施例中，可存在设置在第一涂层132和第二涂层134之间的间隙，或第一涂层132和第二涂层134可在其端部处重叠。在示范性实施例中，第一层132可沿绝缘体14延伸大约1毫米(mm)到大约5毫米(mm)之间的距离。关于图4描述的涂层中的任何一者或多者可具有相同或不同的厚度。更进一步，任何涂层132、134(或附加的涂层，如果使用)可包括任何数目的层，例如，如上文关于图2和3描述的那样。不管怎样，涂层132、134中的每一个由至少一种釉材料形成。

在燃烧应用期间，沿绝缘体14的第三节段54(有时称为锥鼻或鼻锥)的温度分布总是在绝缘体末梢18处较高，且朝垫圈座56逐渐降低。图5中绘出了用于典型火花塞的示例性温度梯度。如可见，中心电极附近的绝缘体末梢18处的温度为大约850摄氏度，且远离绝缘体末梢18缓慢降低。垫圈座56附近的绝缘体14具有低于600摄氏度的温度。由于该温度梯度，故第一涂层132可由具有第一软化点的第一釉材料组成，且第二涂层134可由具有第二软化点的第二釉材料组成，其中第二软化点低于第一软化点。绝缘体末梢18处的较高软化点釉提供有效方法，以用于在绝缘体末梢18处在较高温度下吸收例如MMT沉积物，同时避免脱玻作用和较高软化点釉材料的剥落。绝缘体14的远离绝缘体末梢18的表面上施加的较低软化点釉提供有效方法，以用于远离绝缘体末梢18在较低温度下吸收例如MMT沉积物，同时避免较低软化点釉材料的脱玻作用。在示例性实施例中，两层132、134可由相同或不同的材料形成。

火花塞130可以以典型方式制造，且随后施加涂层132、134。在示例性实施例中，可施加涂层132、134两者，且涂层132、134随后可同时地烧制。例如，在示例性实施例中，其中第一涂层132和第二涂层134重叠，层132、134中的一者可施加和烧制，且另一层134、134可随后施加和烧制。

尽管图4中绘出了两个涂层132、134，但可使用任何适合数目的涂层。如果使用多于两个涂层，则移动远离绝缘体末梢18的各层的软化点可具有逐渐降低的软化点。具有多于两个涂层的火花塞130可通过施加涂层中的每一个且随后同时烧制所有涂层来制造。备选地，任何数目的涂层可同时施加和烧制，且可使用任何数目的不同施加和烧制步骤。

在另一个示范性实施例中，如图6中所见，本文的任何涂层可与绝缘体150组合使用。绝缘体150可包括类似于图1的绝缘体14的第一节段50、第二节段52和第三节段54(图6中仅示出了第二节段和第三节段)。在示范性实施例中，绝缘体150的第三节段54可从第二节段52渐缩至减小厚度的末梢152，这与本文的任何涂层组合以有助于使例如MMT沉积物最少。更具体而言，减小厚度的末梢152在发动机应用中降低末梢152的温度，且还保护施加至绝缘体150的一个或多个涂层免受脱玻作用。

在另一个示范性实施例中，如图7中所见，本文的任何涂层可与绝缘体160组合使用。绝缘体160可包括类似于图1的绝缘体14的第一节段50、第二节段52和第三节段54(图6中仅示出了第二节段和第三节段)。在示范性实施例中，间隙162可形成在绝缘体160的第三节段54的至少一部分和中心电极12的一部分之间。间隙162可有助于降低绝缘体末梢164的温度，这降低了绝缘体末梢164的温度且减小沿绝缘体末梢164的温度梯度，这延长了涂层的寿命。间隙162还增大绝缘距离，这减小了侧烧或不着火的可能性。在示范性实施例中，本文公开的任何涂层可与减小厚度的末梢152(图6)和/或绝缘体14与中心电极12之间的间隙162(图7)组合使用。

在另一个示范性实施例中，用于特定车辆的发动机控制系统可设计成使MMT沉积物、或可增大结垢的可能性的类似的沉积物最少。更具体而言，为了有效地吸收例如MMT沉积物，涂层中的釉材料需要达到其有效温度(这接近其软化点/温度)，然而，太高的燃烧室温度可导致釉材料的脱玻作用，这引起釉材料失去其有效性。发动机可设计成加入定期发生的"再生"循环。在此实施例中，火花塞10的绝缘体14可涂布有至少高软化温度釉材料。"再生"循环可包括，启动发动机之后允许MMT沉积物累积在该一种或多种釉材料上，以及此后将发动机的温度升高到高于一种或多种釉材料的软化点或在大约400摄氏度到1000摄氏度之间的温度。在该再生温度下，该一种或多种釉材料反应，吸收MMT沉积物，且使绝缘体的表面为非传导性的。此后，在正常发动机运行期间，发动机中的温度低到足以不会引起形成涂层的该一种或多种釉材料的显著脱玻作用。使用该方法，用于涂层中的该一种或多种釉材料的寿命将延长。

再生循环可为定期发生(例如，每周、每月、或以任何其他适合的间隔)的计划事件。备选地，再生循环可基于由发动机控制系统感测到的事件发生，例如，基于外侧温度、发动机的温度、探测到火花塞不着火、感测或接收到的转矩信息、或任何其他感测或接收到的异常或状态。

本公开内容的涂层和/或层中任何一者或多者可在其釉材料中包含耐火粉末以改善涂层的温度敏感性。示例性耐火粉末包括但不限于高温陶瓷粉末、氧化铝、氧化锆(ZrO₂)、多铝红柱石、氧化钇(Y₂O₃)、氧化镁(MgO)、氧化镧(La₂O₃)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)等、以及它们的组合。此耐火材料可改善涂层的耐热性，从而在较高温度下提供更稳健的釉材料。在示范性实施例中，釉材料可与一种或多种耐火粉末混合，且随后可施加至绝缘体和烧制。

以下示例和代表性程序说明了根据本教导内容的特征，且仅作为说明而提供。它们不旨在限制所附权利要求或其等同物的范围。

示例

示例性涂层配方

根据本教导内容使用的两种代表性涂层配方如在以下表1中所示的那样制备。

表1. 第2号和3号涂层的配方

2号和3号涂层的成分类似，但组分以不同比率存在于配方中的每一个中。2号和3号涂层可用于针对不同的熔化温度。例如，3号涂层具有的高温玻璃重量%是2号涂层的双倍。结果，3号涂层构造成经受得住比2号涂层较高的发动机温度。然而，3号涂层需要较高温度来主动地吸收MMT。

2号和3号涂层可施加到厚度范围例如从大约20μm到大约30μm的火花塞绝缘体的末梢(例如，鼻锥)上。

Escape底盘台架测试

图8和9分别示出了在2012福特2.5-L发动机上100小时MMT测试和300小时MMT测试之后的照片。图8a和9a示出了具有未涂布的绝缘体的对照火花塞的照片，图8b和9b示出了具有涂布有2号涂层的绝缘体的火花塞的照片，且图8c和9c示出了具有涂布有3号涂层的绝缘体的火花塞的照片。

在100小时测试之后在未涂布的部分上观察到了显著的"侧烧"，但在涂布的部分上未观察到。此外，如图9a中所示，在300小时测试之后在对照部分上观察到了耐久传导通路。

图10示出了300小时MMT测试之后的电阻对绝缘体末梢上的位置的图表。最左边的条状图对应于具有未涂布的绝缘体的对照火花塞，中部的条状图对应于具有涂布有2号涂层的绝缘体的火花塞，且最右边的条状图对应于具有涂布有3号涂层的绝缘体的火花塞。

MMT沉积物的扫描电子显微镜(SEM)研究

图11示出了将由元素分析来研究的火花塞的中部区域的截面扫描电子显微镜(SEM)图像。

图12a和12b分别示出了具有未涂布的绝缘体的对照火花塞的中部节段上沉积的MMT的100x和300x的SEM图像。图13a和13b分别示出了具有涂布有1号涂层的绝缘体的火花塞的中部节段上沉积的MMT的100x和300x的SEM图像。图14a和14b分别示出了具有涂布有3号涂层的绝缘体的火花塞的中部节段上沉积的MMT的100x和300x的SEM图像。

如图12a和12b中的SEM照片所示，沉积在对照火花塞上的MMT是致密且连续的。相比之下，如由图13a、13b、14a、和14b中的SEM照片所示，沉积在涂布的部分上的MMT是稀疏且分散的。

MMT沉积物的能量弥散x射线(EDX)元素分析

图15示出了由能量弥散x射线(EDX)元素分析确定的具有未涂布的绝缘体的对照火花塞的中部节段上的MMT沉积物中含有的元素的分布和相对比例的图表。

EDX元素分析确认对照火花塞的未涂布的绝缘体上的沉积物主要是Mn氧化物。此外，沉积物含有P、K、Ca和Zn，其是发动机油/润滑剂的添加剂。这些微量元素促进Mn沉积物的致密化，且进一步降低绝缘体的电阻性。

图16示出了如由EDX元素分析确定的具有涂布有1号涂层的绝缘体的火花塞的中部节段上沉积的MMT中含有的元素的分布和相对比例的图表。

Si/Ba分布指出了涂层的位置。Mn和Ba之间的重叠表明Mn溶解在釉涂层中。

如上文所述，本文公开的火花塞的特征、施加抗结垢涂层(例如，抗MMT结垢涂层)的方法、以及发动机控制系统可结合任何适合的火花塞使用。以此方式，本文的本公开内容和附图不应当是限制性的。

尽管仅连同有限数目的实施例详细描述了本公开内容，但应当容易地理解的是，本公开内容不限于此公开的实施例。相反，本公开内容可修改以包含迄今未描述的但与本公开内容的精神和范围相当的任何数目的变型、改型、置换或等同布置。此外，尽管已经描述了本公开内容的各种实施例，但将理解的是，本公开内容的方面可包括描述实施例中的仅一些。因此，本公开内容不看作由前面描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (36)

1.一种用于内燃机的火花塞，所述火花塞包括：

长形中心电极，其在第一端部处具有中心电极末梢，且在与所述第一端部相对的第二端部附近具有端子；

绝缘体，其包绕所述中心电极的至少一部分；以及

外壳，其包绕所述绝缘体的至少一部分；

其中所述绝缘体包括：

第一节段，其包绕所述端子的至少一部分，

第二节段，其从所述第一节段延伸，

第三节段，其从所述第二节段延伸，其中间隙设置在所述绝缘体的第三节段和所述外壳之间，使得所述绝缘体的第三节段的至少一部分在所述火花塞设置在内燃机内时暴露于燃烧室，和

涂层，其施加至所述第三节段的至少一部分，其中所述涂层由设置在所述第三节段的表面的至少一部分上的第一层和设置在所述第一层的至少一部分上的第二层形成。

2.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述第一层和所述第二层中的每一个由釉材料形成，且所述釉材料对于所述第一层和所述第二层两者是相同的。

3.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述第一层由具有第一软化点的第一釉材料形成，且所述第二层由具有第二软化点的第二釉材料形成，且所述第二软化点低于所述第一软化点。

4.根据权利要求3所述的火花塞，其特征在于，所述第一釉材料和所述第二釉材料是不同的材料。

5.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述第一层的第一厚度和所述第二层的第二厚度是不同的。

6.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述涂层在所述绝缘体的设置在所述中心电极附近的端部和所述外壳将所述绝缘体保持就位的点之间延伸。

7.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述涂层沿所述绝缘体的表面延伸，且终止于与所述中心电极间隔开的点或所述外壳将所述绝缘体保持就位的点。

8.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，还包括设置在所述第二层的至少一部分上的第三层。

9.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述第一层由第一釉材料形成，且所述第二层由第二釉材料形成，其中所述第一釉材料和所述第二釉材料中的至少一者包括耐火粉末。

10.根据权利要求9所述的火花塞，其特征在于，所述耐火粉末选自以下组成的组：高温陶瓷粉末、氧化铝、氧化锆(ZrO₂)、多铝红柱石、氧化钇(Y₂O₃)、氧化镁(MgO)、氧化镧(La₂O₃)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、和它们的组合。

11.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，间隙形成在所述绝缘体和所述中心电极之间。

12.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述绝缘体的第三节段从所述第二节段附近的第一端部朝与所述第二节段相对的第二端部渐缩，使得所述绝缘体的在所述第二端部处的厚度小于所述绝缘体的在所述第一端部处的厚度。

13.一种用于内燃机的火花塞，所述火花塞包括：

长形中心电极，其在第一端部处具有中心电极末梢，且在与所述第一端部相对的第二端部附近具有端子；

绝缘体，其包绕所述中心电极的至少一部分；以及

外壳，其包绕所述绝缘体的至少一部分；

其中所述绝缘体包括：

第一节段，其包绕所述端子，

第二节段，其从所述第一节段延伸，

第三节段，其从所述第二节段延伸，其中间隙设置在所述绝缘体的第三节段和所述外壳之间，使得所述绝缘体的第三节段的至少一部分在所述火花塞设置在内燃机内时暴露于燃烧室，以及

第一涂层，其施加至所述第三节段的第一部分，和

第二涂层，其施加至所述第三节段的第二部分，

其中所述第二涂层的至少一部分设置在所述第一涂层和所述第二节段之间。

14.根据权利要求13所述的火花塞，其特征在于，所述第一涂层和所述第二涂层邻接彼此且不重叠。

15.根据权利要求13所述的火花塞，其特征在于，所述第一涂层由具有第一软化点的第一釉材料组成，且所述第二涂层由具有低于所述第一软化点的第二软化点的第二釉材料组成。

16.根据权利要求15所述的火花塞，其特征在于，所述第一釉材料和所述第二釉材料是不同的材料。

17.根据权利要求13所述的火花塞，其特征在于，还包括第三涂层，其施加至所述第三节段的在所述第二涂层和所述第二节段之间的第三部分。

18.根据权利要求13所述的火花塞，其特征在于，所述第一涂层由第一釉材料形成，且所述第二涂层由第二釉材料形成，其中所述第一釉材料和所述第二釉材料中的至少一者包括耐火粉末。

19.根据权利要求18所述的火花塞，其特征在于，所述耐火粉末选自以下组成的组：高温陶瓷粉末、氧化铝、氧化锆(ZrO₂)、多铝红柱石、氧化钇(Y₂O₃)、氧化镁(MgO)、氧化镧(La₂O₃)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、和它们的组合。

20.一种用于火花塞的绝缘体，所述绝缘体包括：

第一节段，其包绕端子的至少一部分，

第二节段，其从所述第一节段延伸，

第三节段，其从所述第二节段延伸，以及

涂层，其施加至所述第三节段的至少一部分，其中所述涂层由设置在所述第三节段的表面的至少一部分上的第一层和设置在所述第一层的至少一部分上的第二层形成。

21.根据权利要求20所述的火花塞，其特征在于，所述第一层和所述第二层由釉材料形成，且所述釉材料对于所述第一层和所述第二层两者是相同的。

22.根据权利要求20所述的火花塞，其特征在于，所述第一层由具有第一软化点的第一釉材料形成，且所述第二层由具有第二软化点的第二釉材料形成，且所述第二软化点低于所述第一软化点。

23.根据权利要求22所述的火花塞，其特征在于，所述第一釉材料和所述第二釉材料是不同的材料。

24.根据权利要求20所述的火花塞，其特征在于，所述第一层的第一厚度和所述第二层的第二厚度是不同的。

25.根据权利要求20所述的火花塞，其特征在于，还包括设置在所述第二层的至少一部分上的第三层。

26.根据权利要求20所述的火花塞，其特征在于，所述第一层由第一釉材料形成，且所述第二层由第二釉材料形成，其中所述第一釉材料和所述第二釉材料中的至少一者包括耐火粉末。

27.根据权利要求26所述的火花塞，其特征在于，所述耐火粉末选自以下组成的组：高温陶瓷粉末、氧化铝、氧化锆(ZrO₂)、多铝红柱石、氧化钇(Y₂O₃)、氧化镁(MgO)、氧化镧(La₂O₃)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、和它们的组合。

28.根据权利要求20所述的火花塞，其特征在于，间隙形成在所述绝缘体和所述中心电极之间。

29.根据权利要求20所述的火花塞，其特征在于，所述绝缘体的第三节段从所述第二节段附近的第一端部朝与所述第二节段相对的第二端部渐缩，使得所述绝缘体的在所述第二端部处的厚度小于所述绝缘体的在所述第一端部处的厚度。

30.一种用于火花塞的绝缘体，所述绝缘体包括：

第一节段，其包绕端子，

第二节段，其从所述第一节段延伸，

第三节段，其从所述第二节段延伸，以及

第一涂层，其施加至所述第三节段的第一部分，和

第二涂层，其施加至所述第三节段的第二部分，

其中所述第二涂层的至少一部分设置在所述第一涂层和所述第二节段之间。

31.根据权利要求30所述的火花塞，其特征在于，所述第一涂层和所述第二涂层邻接彼此且不重叠。

32.根据权利要求30所述的火花塞，其特征在于，所述第一涂层由具有第一软化点的第一釉材料组成，且所述第二涂层由具有低于所述第一软化点的第二软化点的第二釉材料组成。

33.根据权利要求32所述的火花塞，其特征在于，所述第一釉材料和所述第二釉材料是不同的材料。

34.根据权利要求30所述的火花塞，其特征在于，还包括第三涂层，其施加至所述第三节段的在所述第二涂层和所述第二节段之间的第三部分。

35.根据权利要求30所述的火花塞，其特征在于，所述第一涂层由第一釉材料形成，且所述第二涂层由第二釉材料形成，其中所述第一釉材料和所述第二釉材料中的至少一者包括耐火粉末。

36.根据权利要求35所述的火花塞，其特征在于，所述耐火粉末选自以下组成的组：高温陶瓷粉末、氧化铝、氧化锆(ZrO₂)、多铝红柱石、氧化钇(Y₂O₃)、氧化镁(MgO)、氧化镧(La₂O₃)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、和它们的组合。