CN110770987A - 用于在高温火花塞延伸件中的独特材料和几何形状的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于在高温火花塞延伸件中的独特材料和几何形状的方法和系统，可包括火花塞延伸件，其具有围封在液晶聚合物中的导电核心，其中导电核心的相对端部未围封在液晶聚合物中。线圈可直接耦接到火花塞延伸件。火花塞延伸件和线圈可在导电核心的相对端部的第一端部处包括螺纹，以将线圈直接耦接到火花塞延伸件。导电核心的相对端部的第一端部处可包括提供与线圈密封的O形环。火花塞延伸件可包括绝缘线，其远离火花塞延伸件地耦接到线圈，该绝缘线从导电核心的一个端部延伸。

Description

用于在高温火花塞延伸件中的独特材料和几何形状的方法和 系统

优先权声明/引证并入

本申请要求于2017年4月26日公布的美国专利申请第15/498,312号的优先权。

技术领域

本公开的某些实施例涉及发动机点火部件。更具体地，本公开的某些实施例涉及在高温火花塞延伸件中的独特材料和几何形状的方法和系统。

背景技术

向发动机火花塞提供点火能量的现有设备是昂贵的，且经受在发动机的高温和腐蚀性环境中的可靠性问题。在发动机缸盖太高以至于不能使简单的高电压导线直接耦接到火花塞的情况中(例如，通常对于大型工业机器)，可使用火花塞延伸件以将信号从高电压线圈提供到火花塞。

通过将这种系统与如在本申请的其余部分中参考附图所阐述的本公开进行比较，对于本领域技术人员而言，常规的和传统的方法的进一步限制和缺点将变得显而易见。

发明内容

大体上如至少一个附图所示和/或结合至少一个附图所描述的，提供了在高温火花塞延伸件中的独特材料和几何形状的系统和/或方法，如在权利要求中更完整地阐述的。

从以下描述和附图中将能更完整地理解本公开及其示出的实施例的细节的这些和各种其它优点、方面和新颖特征。

附图说明

图1示出了可在根据本公开的各种实施例中使用的内燃机的示例性点火系统的横截面图。

图2示出了根据本公开的示例性实施例的高电压导线。

图3示出了根据本公开的示例性实施例的具有安装的线圈的示例性火花塞延伸件。

图4示出了根据本公开的示例性实施例的火花塞延伸件的输送的电压对温度的图表。

具体实施例

如本文所利用的，“和/或”意指与“和/或”连接的所列项的任何一个或多个。例如，“x和/或y”意指三元素集合{(x)，(y)，(x，y)}的任何元素。类似地，“x、y和/或z”意指七元素集合{(x)，(y)，(z)，(x，y)，(x，z)，(y，z)，(x，y，z)}的任何元素。如本文所利用的，术语“模块”涉及可在硬件、软件、固件或其一种或多种的任何组合中执行的功能。如本文所利用的，术语“示例性”意指用作非限制性示例、例证或说明。

图1示出了可在根据本公开的多种实施例中使用的内燃机的示例性点火系统的横截面图。参考图1，附图中示出了包括高电压的点火线圈101、火花塞延伸件103、火花塞105和气缸107以及气缸盖109的点火系统100。气缸盖109包括在气缸107顶部的结构以帮助形成沿着气缸和活塞的燃烧室。

点火线圈101可包括主线圈、副线圈和核心，其中主线圈和副线圈的匝数构造成将低电压转换成在火花塞105中产生火花所需的高电压(例如。几千伏特)。在图1所示的示例中，点火线圈101位于气缸盖109内，从而使需要传递的高电压信号的距离最小化，而其它设计可以具有在气缸盖109外部的线圈，其中高电压线将远程线圈耦接到火花塞延伸件103。

火花塞延伸件103包括环绕导电中央路径(例如，高电压导电杆103A)的绝缘体103B，以将高电压提供给火花塞105。对于大缸径发动机，需要刚性的、易接近的绝缘导体以将点火能量输送到火花塞105的高电压端子，该绝缘导体在能承受介电强度的同时也能承受大量的热量。理想的是具有成本效用的刚性绝缘件，其能够在达到和超过200℃的环境中将高电压脉冲输送到火花塞105以能够产生火花。此外，由于发动机环境的振动、温度和化学方面，火花塞延伸件103应当在机械上和电气上是耐用的。可将一个或多个O形环整合到火花塞延伸件103中，以产生与火花塞105和/或线圈101的密封连接。

在升高的温度下输送到火花塞的电压的量是火花塞延伸件的性能参数。可利用模拟的发动机环境测量在变化的温度下输送到火花塞的电压。此外，使得火花塞延伸件保持在使用多个小时后仍能够输送高电压信号的合适的介电特性的能力是火花塞延伸件的重要参数。

火花塞延伸件通常使用的材料包括聚酰亚胺基塑料。然而，随着时间的推移且随着温度的升高，这些材料的介电强度下降，极大地降低了它们的绝缘特性。在示例性方案中，可使用液晶聚合物以形成火花塞延伸件103。在示例性实施例中，液晶聚合物包括注射成型的液晶聚合物。相比于聚酰亚胺的C＝O键，液晶聚合物的完全芳香结构提供了更少的电荷载流子。此外，即使在恶劣的发动机环境下，液晶聚合物的玻璃增强材料也能提供出色的介电性能。由于材料的介电强度决定了绝缘体在失效前可承受的最大开路电压，因此该要素是重要的。此外，已经显示，所公开的包括液晶聚合物的火花塞延伸件具有随温度而改善的介电强度，且具有出色的耐腐蚀性和耐磨损性。

示例性注射成型的液晶聚合物是Xydar，这是一种玻璃增强的注射成型的聚合物，并且呈现出良好的耐化学性、可成型性和高刚度。通常，该材料的电阻为1×10¹⁶Ω-cm，介电强度为39kV/mm。

此外，利用液晶聚合物形成火花塞延伸件使得能够使用注射成型，因此可通过将液晶聚合物注射到具有使液晶聚合物围绕高电压杆的模具结构中(其凝固成固体的火花塞延伸件部件)，以形成火花塞延伸件，从而能够成本有效地制造。在高温下，产生的结构保持其介电能力，且甚至随着温度而呈现出增加的介电强度。示例性注射成型的液晶聚合物是玻璃增强热稳定的聚邻苯二甲酰胺，其呈现出高的热偏移温度、高的弯曲模量、低的吸湿性和高的拉伸强度。

图2示出了根据本公开的另外的示例性实施例的高电压导线。参考图2，附图中示出了包括绝缘线201和延伸件203的导线200。与安装在延伸件上的情况不同，导线200可结合远程线圈(如图1中示出的直接安装在火花塞延伸件103上的点火线圈101)使用。延伸件203可包括在介电材料中的高电压导电杆，以向火花塞提供高电压而不会使相邻的导电结构短路。通过利用远程线圈，沿着绝缘线201和延伸件203两者均存在高电压。

在示例性方案中，延伸件203可包括注射成型的液晶聚合物，以在恶劣的发动机环境下能够具有高温介电能力。远程地安装一个或多个线圈可提供诸如易于维护或降低所需线圈数量而不需要在每个火花塞处安装线圈的优点。在另外的示例性方案中，延伸件203可包括在液晶聚合物中的绝缘线以及延伸到远程线圈的电线。

图3示出了根据本公开的示例性实施例的具有安装的线圈的示例性火花塞延伸件。参考图3，附图中示出了线圈301和火花塞延伸件303，其中以横截面图示出延伸件和线圈以说明内部部件(诸如在环绕杆的绝缘体303B中的导电核心303A)。

线圈301可与关于图1所描述的线圈101大体上相似，且如与耦接到远程线圈(如图2中的高电压导线)不同地，线圈可直接耦接到火花塞延伸件303。直接耦接到延伸件使携带高电压必须的距离降低，降低了绝缘件所需的高电压兼容材料的长度。

线圈可包括围绕核心(未示出)缠绕的成对的线圈导体301A，线圈包括用于接收输入电压，并产生足够高的电压以在附接的火花塞处产生火花的高电压输出的主绕组和次绕组。此外，线圈301可包括用于耦接到火花塞延伸件303的螺纹301B。

火花塞延伸件303包括内部高电压导电核心303A，该导电核心嵌入绝缘体303B中。导电核心303A包括可以承受发动机室的高温和腐蚀性环境(例如，在暴露的端部)的导电材料(诸如金属)。在另外的示例性方案中，导电核心303A可包括在绝缘体303B中的绝缘线。导电核心303A可包括锥形端部303E，可利用该锥形端部以与耦接到延伸件303的火花塞产生接触。锥形端部303E可包括用于提供抵抗火花塞的力的锥形的弹簧或线圈，尽管本公开并非如此限制，也可利用其它结构(例如，诸如实心的锥形尖端)以与火花塞产生接触。

绝缘体303B包括可对由导电核心303A提供的高电压提供电隔离的绝缘材料。此外，绝缘体303B应当能够承受腐蚀性环境，并且当遭受发动机中经常遇到的强烈振动时，在结构上和电气上保持完整。在示例性方案中，绝缘体303B包括液晶聚合物，诸如玻璃增强热稳定的聚邻苯二甲酰胺。使用液晶聚合物使得能够注射成型火花塞延伸件303。导电核心303A的端部可以是暴露的(即，没有被绝缘体303B覆盖)，因此端部可提供与线圈301和火花塞(诸如图1所示的火花塞105)的电接触。

此外，火花塞延伸件303可包括：用于耦接到线圈301的线圈螺纹301B的螺纹部分303C；以及密封件303D，当附接到火花塞延伸件303时该密封件用于在线圈301内提供相对密封的环境，以保护电连接免受发动机室的腐蚀性环境的影响。密封件303D可包括O形环、索环、垫圈、其结合、或其它类型的密封机构。而图3所示的示例性的线圈/延伸件连接器在延伸件303上利用了外螺纹，并在线圈301上利用了内螺纹，这是可调换的，其中可在延伸件303的轴环上具有内螺纹且在线圈301的延伸部上具有外螺纹。

在示例性方案中，可使用液晶聚合物形成火花塞延伸件303。相比于聚酰亚胺的C＝O键，液晶聚合物的完全芳香结构提供了更少的电荷载流子。此外，即使在恶劣的发动机环境下，液晶聚合物的玻璃增强材料也能提供出色的介电性能。由于材料的介电强度决定了绝缘体在失效前可承受的最大开路电压，因此该要素是重要的。液晶聚合物已经证实的介电强度近似40kv/mm，该数值高于火花塞延伸件之前使用的成本效用材料的介电强度。此外，已经显示，该火花塞延伸件具有随温度而改善的介电强度，且具有出色的耐腐蚀性。例如，安装在有泄露的火花塞垫圈的发动机中的液晶聚合物火花塞延伸件导致在火花塞延伸件的外部上形成残留物，但是不会导致任何介电失效或增加火花塞端子的电压损失。

相比于本申请中使用的标准材料(诸如，聚酰亚胺基塑料)，用于制造火花塞延伸件103的示例性液晶聚合体导致提供给火花塞的电压提升了四倍。在另外的示例性方案中，与注射成型相反，可加工液晶聚合物以形成完成的延伸件。

图4示出了根据本公开的示例性实施例的火花塞延伸件的输送的电压对温度的图表。参考图4，附图中示出了在模拟的发动机环境中，包括液晶聚合物和常规材料(例如，聚酰亚胺)的延伸件的五个火花塞延伸件，向火花塞供应的电压的图表。电压损失或随温度升高而降低的供应电压是材料的介电强度的量度。例如，高介电强度的材料将具有低的电压损失，且随着温度升高而继续提供高电压，而低介电强度的材料将呈现高的电压损失，以及在较高温度下将较低的电压供应到火花塞。

在评估液晶聚合物火花塞延伸件的性能时执行了电压损失测试，其中在25℃(室温)、120℃和150℃下进行了测量。图4示出了与常规材料的延伸件相比，对于5种不同的液晶聚合物火花塞延伸件测得的输送的电压。

如图4所示，当温度从25℃升高到120℃时，对于液晶聚合物设备的电压降并不显著，但是对于常规设备的电压降则是显著的。此外，对于大多数测试的液晶聚合物设备而言，从120℃到150℃时供应的电压(即，通过火花塞延伸件供应的电压)实际上是增加的，这对于常规的设备(其在该温度范围内损失大量的电压)而言是显著的改善。

可以在高温中的火花塞延伸件的独特材料和几何形状的方法和系统中发现本公开的某些方面。本公开的示例性方面可包括火花塞延伸件，该火花塞延伸件包括围封在液晶聚合物中的导电核心，且导电核心的相对端部未围封在液晶聚合物中。线圈可直接耦接到所述火花塞延伸件。火花塞延伸件和线圈包括螺纹，其中火花塞延伸件在导电核心的相对端部的第一端部处包括螺纹，以将线圈直接耦接到火花塞延伸件。

导电核心的相对端部的第一端部处包括一个或多个：O形环、索环和垫圈，其提供与线圈的密封。火花塞延伸件可包括远程地从火花塞延伸件耦接到线圈的绝缘线，绝缘线从导电核心的端部延伸。导电核心在一个相对端部处可包括锥形端部，以与耦接到火花塞延伸件的火花塞产生电接触。锥形端部可包括弹簧。液晶聚合物的部分可延伸超出导电核心的相对端部的第二端部处，以围封耦接到火花塞延伸件的火花塞的部分。

延伸超出导电核心的相对端部的第二端部处的注射液晶聚合物的部分可包括提供密封到火花塞的O形环。随着发动机操作温度而提高的温度，液晶聚合物可呈现提高的介电强度。

随着发动机操作温度而提高的温度，火花塞延伸件可呈现降低的电压降。液晶聚合物可包括注射成型的液晶聚合物。注射成型的液晶聚合物可包括Xydar。导电核心可包括绝缘金属电线，液晶聚合物可包括玻璃增强材料。火花塞延伸件可包括加工的液晶聚合物。

虽然已经参考某些实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下可以进行各种改变且可以用等效物代替。此外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应本公开的教导。因此，本公开旨在并非限制于公开的特定实施例，而是本公开将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (36)

1.一种用于发动机点火的系统，所述系统包括：

火花塞延伸件，包括被围封在液晶聚合物中的导电核心，其中所述导电核心的相对端部未围封在所述液晶聚合物中。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，线圈直接耦接到所述火花塞延伸件。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述火花塞延伸件和所述线圈包括螺纹，所述火花塞延伸件在所述导电核心的所述相对端部的第一端部处包括螺纹，以将所述线圈直接耦接到所述火花塞延伸件。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述导电核心的所述相对端部的所述第一端部处包括提供与所述线圈密封的以下各项中的一个或多个：O形环、索环、和垫圈。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述火花塞延伸件包括绝缘线，所述绝缘线耦接到远离所述火花塞延伸件的线圈，所述绝缘线从所述导电核心的一个端部延伸。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述导电核心在所述相对端部中的一个端部处包括锥形端部，以与耦接到所述火花塞延伸件的火花塞产生电接触。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述锥形端部包括弹簧。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述液晶聚合物的一部分延伸超出所述导电核心的所述相对端部的第二端部，以围封火花塞的耦接到所述火花塞延伸件的部分。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述注射液晶聚合物的延伸超出所述导电核心的所述相对端部的所述第二端部的所述部分包括提供与所述火花塞的密封的O形环。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，随着在发动机运行温度下升高的温度，所述液晶聚合物呈现升高的介电强度。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，随着在发动机运行温度下升高的温度，所述火花塞延伸件呈现降低的电压降。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述液晶聚合物包括注射成型的液晶聚合物。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述注射成型的液晶聚合物包括Xydar。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述导电核心包括绝缘金属电线。

15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述液晶聚合物包括玻璃增强材料。

16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述火花塞延伸件包括加工的液晶聚合物。

17.一种用于发动机点火的方法，所述方法包括：

使火花塞延伸件中包括围封在液晶聚合物中的导电核心，其中所述导电核心的相对端部未围封在所述液晶聚合物中：

在所述导电核心的所述相对端部的第一端部处接收高电压电信号；以及

将所述高电压电信号连通到所述导电核心的所述相对端部的第二端部处。

18.根据权利要求17所述的方法，包括以下步骤：将线圈直接耦接到所述火花塞延伸件。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述火花塞延伸件和所述线圈包括螺纹，所述火花塞延伸件在所述导电核心的所述相对端部的所述第一端部处包括螺纹，以将所述线圈直接耦接到所述火花塞延伸件。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述导电核心的所述相对端部的所述第一端部处包括提供与所述线圈的密封的以下各项中的一个或多个：O形环、索环、和垫圈。

21.根据权利要求17所述的方法，其中，所述火花塞延伸件包括绝缘线，所述绝缘线能操作地耦接到远离所述火花塞延伸件的线圈，所述绝缘线从所述导电核心的一个端部延伸。

22.根据权利要求17所述的方法，其中，所述导电核心在所述相对端部中的一个端部处包括锥形端部，以与耦接到所述火花塞延伸件的火花塞产生电接触。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述锥形端部包括弹簧。

24.根据权利要求17所述的方法，其中，所述液晶聚合物的一部分延伸超出所述导电核心的所述相对端部的第二端部，以围封火花塞的耦接到所述火花塞延伸件的部分。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述液晶聚合物的延伸超出所述导电核心的所述相对端部的所述第二端部的所述部分包括提供与所述火花塞的密封的以下各项中的一个或多个：O形环、索环、和垫圈。

26.根据权利要求17所述的方法，其中，随着在发动机操作温度下升高的温度，所述火花塞延伸件呈现降低的电压降。

27.根据权利要求17所述的方法，其中，所述液晶聚合物包括注射成型的液晶聚合物。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述注射成型的液晶聚合物包括Xydar。

29.根据权利要求17所述的方法，其中，所述导电核心包括绝缘金属电线。

30.根据权利要求17所述的方法，其中，所述注射成型的液晶聚合物包括玻璃增强材料。

31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述火花塞延伸件包括加工的液晶聚合物。

32.一种用于发动机点火的系统，包括：

火花塞延伸件，包括被围封在液晶聚合物中的导电核心，其中所述导电核心的相对端部未围封在所述液晶聚合物中，其中所述相对端部的第一端部能操作地与线圈产生电接触，且所述相对端部的第二端部能操作地与火花塞产生电接触。

33.根据权利要求30所述的系统，其中，随着发动机运行温度下升高的温度，所述火花塞延伸件呈现降低的电压降。

34.根据权利要求30所述的系统，其中，所述液晶聚合物包括注射成型的液晶聚合物。

35.根据权利要求32所述的系统，其中，所述注射成型的液晶聚合物包括Xydar。

36.根据权利要求30所述的系统，其中，所述液晶聚合物包括玻璃增强材料。

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