CN1486523A - 耐用的火炬喷射火花塞电极 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用来制备火炬喷射火花塞电极的组合物，这种组合物包含一种陶瓷材料、陶瓷颗粒和导电材料。陶瓷颗粒分散于陶瓷材料中。至少有一部分陶瓷颗粒具有预定的粒度。此预定的粒度至少与最终形成的电极厚度一样大。导电材料经过处理能形成环绕陶瓷颗粒的带状结构，经烧结形成电极。形成的电极具有很好的抵御爆炸性磨蚀的作用，结果能延长火炬喷射火花塞的使用寿命。
Description
发明领域
本发明涉及一种在内燃机主燃烧室内使用的火炬喷射火花塞，具体涉及一种用于火炬喷射火花塞的耐用的粗颗粒电极。
发明背景
以下背景信息有助于读者理解本发明典型应用的环境。除了在文中有特别说明外，本文中的术语不局限于具体狭窄的解释。
火花塞是一个插入内燃机燃烧室的部件，包括一个侧电极和一个绝缘的中心电极，两个电极相隔形成一个空隙，供产生电火花，点燃空气-燃料混合物之用。从线圈突发得到的高电压经由配电器到达火花塞终端，传递到被绝缘体保护的中心电极。火花塞的接地接头伸入气缸，电压必须足够高，能够通过浓厚的燃料混合气体越过中心电极和侧电极之间的空隙。当火花越过空隙时，就点燃气缸中的燃料。
一种替代的火花点燃方式是火炬喷射辅助火花点燃方式，Cheng等人在USP4,924,829；Polikarpus等人在USP5,405,280；Durling等人在USP5,421,300中都提到了这种火花点燃的一些优点。火炬喷射辅助火花点燃是将一股燃烧气体喷射进入燃烧室，通过增加气体湍流程度，加大火焰前沿的面积，而增加燃烧室内燃烧速度。由于更快的燃烧速度，导致了更小的气缸压力周期性变化，从而导致了以更高的压缩比获得更高的发动机效率。
在一个火炬喷射辅助火花点燃系统中，喷射流一般由一个预燃烧室射出，然后通过一个喷嘴进入主燃烧室。虽然空气/燃料混合物可以直接通过一个独立的入口阀或燃料喷射器直接进入预燃烧室。为了简化发动机的结构和它的点火系统，更常用的是空气/燃料混合物从主燃烧室射出。而且，在预燃烧室中空气/燃料混合物的燃烧可以由一个独立的点火器点燃，或者在主燃烧室来由火焰点燃。在上述两种情况下，在预燃烧室和主燃烧室中的燃烧都是几乎同时发生的。然而因为预燃烧室的体积相对较小，在主燃烧室内处于较低压力时，预燃烧室内处于较高的压力。所以一股燃烧气体从预燃烧室喷射进入主燃烧室，结果导致大大增加主燃烧室内的燃烧速度。
当前使用的火炬喷射火花塞，如Durling等人所述，包括一个预燃烧室，在其表面上形成有一个内电极。这个内电极，是在点火前绝缘体仍处于生坯状态时，在预燃烧室内表面上沉积一种金属糊剂，如铂或钯的金属糊剂形成的。在点火过程中，金属糊剂的载体组合物消失，所含的金属组合物润湿并粘合在预燃烧室的内表面上形成一层厚度最好在0.01到0.6毫米的金属膜。
Polikarpus等提出了一个整体化模制和着墨方法形成火炬喷射火花塞的内电极。把金属油墨施涂在一个长形轴的外表面上，形成一个涂层从而构成内电极。然后将这个轴插入一个适合的模子中，模子内基本充满着干燥的陶瓷粉末，使得粉末包裹着轴外的涂层。然后将此干燥的陶瓷粉末压制，形成一个陶瓷生坯。
理想的火花塞的点火电压总保持在20,000-25,000伏。过低的点火电压意味着降低燃烧速度，提高燃料消耗，增加排放。高的点火电压约为30,000伏或更高，会导致电路系统、火花塞电线等发生击穿。高的点火电压也将引起高的无线电噪音和无线电频率的干扰。按照Durling等人和Polikarpus等人提出的技术生产的火花塞，在测试中性能不能令人满意，常常不能通过加速试验中最低的100小时要求。因此，这些火花塞的使用寿命约在10,100-30,000英里。导致这种过早失效的一个因素，看来来自于发动机的沉积物，如沉积于上火花塞头端的磷酸钙。另一个因素看来是由于燃烧室内“爆炸”产生的磨擦力使得电极快速磨损。电极的磨损能引起这种过早的火花塞失效，并且点火所必须的电压达到不能接受的程度。
汽车工业上要求增加火花塞电极的耐久性，将磨擦力引起的电极磨损减小到最低。电极磨损的减少能增加火花塞的使用寿命，要求大于目前达到的10,100-30,000英里的使用期。
发明目的
本发明的一个目的是制备一种有耐用电极的火炬喷射火花塞，此电极能很好地抵御爆炸性磨蚀的作用。
本发明的另一个目的是制备一种带有电极的火炬喷射火花塞，此电极有一个粗糙的表面，使得在靠近电极的表面产生一个停滞边界层，减少火花磨蚀作用。
本发明的另一个目的是制备一种使用寿命长于目前市场上火花塞使用寿命的火炬喷射火花塞。
本发明的另一个目的是制备一种使用寿命达到车辆驾驶里程为60,000英里或更长的火炬喷射火花塞。
除了以上所列的目的和优点，具有相关知识背景的读者通过阅读本专利说明书中发明详细描述部分，很容易理解本发明其他的目的和优点。结合附图和专利要求书，思考发明详细描述部分，就能具体清晰地理解本发明其他的目的和优点。
发明概述
通过阅读以下发明概述的各种实施方案，就能理解上述本发明的目的和优点。
本发明涉及一种用来制备火炬喷射火花塞电极的组合物，这种组合物包含一种陶瓷材料，陶瓷颗粒分散于此陶瓷材料中，至少有一部分陶瓷颗粒具有预定的粒度，此粒度至少与最终形成的电极厚度一样大，还包含一种导电材料，它经过处理能形成环绕陶瓷颗粒的带状结构，并经烧结形成电极。
本发明也涉及一种制备电极的方法。包括几个步骤。第一步是将电极组合物喷射到火花塞陶瓷绝缘体内，沉积形成一层电极层。然后将此电极层和陶瓷绝缘体一起烧成，使得导电材料烧结，形成附着在陶瓷绝缘体上的导电电极。导电材料环绕陶瓷颗粒形成带状结构，形成的电极具有抵御爆炸性磨蚀的作用，结果能延长火炬喷射火花塞的使用寿命。
附图简述
图1是本发明一种类型的带有粗颗粒电极的火炬喷射火花塞截面图。
发明详细描述
根据本发明，图1描述了一种类型的带有粗颗粒电极34的火炬喷射火花塞10。如同典型的用于内燃机的火花塞一样，火花塞10包括一个钢制的外壳12，所用的钢材例如是SAE 1008。外壳12的接地接头车成外螺纹14，使得火花塞10能装入内燃机燃烧室壁上的螺孔(图中未示)。绝缘体18是由诸如氧化铝(Al2O3)之类的陶瓷材料制成，固定在外壳12内。垫圈20是由例如铜或软钢之类合适的耐高温材料制成，用来密封外壳12与绝缘体18之间的空隙。绝缘体18穿过外壳12与其螺纹14相反的一端伸出。绝缘体18穿过外壳12伸出的部分中有一个通道17，其中容纳着上接头16，通过此上接头16电流可以供给到火花塞10。在火花塞10有上接头16的另一端接地接头40。
从上接头16输入的电流，通过位于绝缘体18的通道17中的电阻材料22和一系列位于燃烧室中或预燃烧室30中形成在绝缘体18内的中间电极传导到接地接头40。这一系列电极包括从通道17伸入预燃烧室30的上电极26、位于预燃烧室30内表面32上的内电极34和与预燃烧室30的喷口42相邻的外电极24。外电极24是一段金属线，伸出预燃烧室30的下壁，与接地接头40之间形成一个外点火间隙38。
预燃烧室30最好是长形的，沿着绝缘体18的纵向延伸。这样上电极就能伸入预燃烧室30的上部，而喷口42位于下部。喷口42的作用是用来从预燃烧室30向发动机(火花塞10即安装于其中)的主燃烧室排气用的。
本发明的粗颗粒电极34位于预燃烧室30的内表面32上。这种粗颗粒电极34是由一种陶瓷材料、分散于陶瓷材料中的陶瓷颗粒和一种导电材料构成。该导电材料最好是颗粒状和/或块状固态形式。至少一部分陶瓷颗粒具有预定的粒度，如颗粒35所示，以预定的粒度至少与最终形成的电极34的厚度一样大。烧成以后，陶瓷颗粒烧结固定在管状的绝缘体18上。导电材料固体以带状包围着固定的陶瓷颗粒。这些导电固体也烧结在一起形成电极。
在此电极组合物中使用的陶瓷材料较好是多孔性的γ-氧化铝，此陶瓷颗粒也可以较好是γ-氧化铝颗粒。这些氧化铝颗粒的预定粒度约为10μm或更大。最好在电极组合物中包含的粒度为10μm或更大的氧化铝颗粒至少为重量20％。
颗粒形式的铂是较好的导电材料。但是其他不同的金属颗粒也可以和/或加入在电极组合物中。一种可替代纯铂的组合物是90％铂和10％铑的合金颗粒。其他一些合金包括75％钯和25％铂；100％金；60％银和40％钯。
电极组合物中也可以含有氧化铝以外的陶瓷材料。一种组合物使用50％体积的铂和50％体积的氧化锆(ZrO2)。另一种组合物含有30％体积银、20％体积钯和50％体积铝镁尖晶石(MgAl2O3)。
将组合物分散/悬浮于一种液态载体中。液体混合物可以用来控制电极组分的沉积速度。稀薄的液体如乙醇沉积电极组合物非常快，因为乙醇能快速地吸收进入烧成的陶瓷体中。粘稠的液体如松油醇吸收进入烧成的陶瓷体中非常慢。电极的厚度取决于液体在烧成的陶瓷体中的吸收速度、该陶瓷体与组分接触的时间、组合物中导电材料和陶瓷颗粒的浓度。
组合物也可以包含粘合剂，如丙烯酸粘合剂。在组合物中使用丙烯酸粘合剂使得沉积的电极涂层不会用手擦去。若不使用这种粘合剂，沉积的涂层太软而不宜加工。
挥发性材料也可以包含在组合物中。这些挥发性材料可以是碳、石墨或其他类型的不溶的有机物，它们占据空间，直到电极烧成好为止。烧成以后，这些材料在充分烧成的电极中留下敞开的孔隙。
电极可以由许多种组合物中的任何一种制备而成。以下三种是较好的组合物，其中第一种组合物被证明有最好的结果。
实施例1
a)9.0克Condea Vista SCFA-100γ-氧化铝
b)21.0克Degussa H-7000铂粉
c)20.0克乙醇
d)5.0克松油醇
e)25.0克二甲苯
实施例2
a)9.0克Condea Vista SCFA-100γ-氧化铝
b)21.0克Degussa铂/钯薄片90/10
c)20.0克乙醇
d)5.0克松油醇
e)25.0克二甲苯
实施例3
a)9.0克Alcoa A-16 SG α-氧化铝
b)21.0克Degussa H-7000铂粉
c)20.0克乙醇
d)34.0克松油醇
e)5.0克纤维素乙醚树脂
f)5.0克醛酸丁酯
当启动火花所需的电压增加到25,000到30,000伏时，火花塞失效。电气系统不能承受高于30,000伏的电压。下表比较了具有不同类型电极的火花塞的电压性能。注意到有些火花塞在330,00到320,00伏电压下产生火花，但是由于这些火花是不规则的，因此认为这些火花塞已经失效。其他“失效”是因为不再能发生火花，因此其要求的电压无法测量。
| 要求电压 | 新的 | 100小时 | 200小时 | 300小时 | 400小时 |
| 标准铂尖端火花塞 | 160,00 | 180,00 | 220,00 | 220,00 | 失效 |
| 着墨轴的火炬喷射火花塞 | 150,00 | 330,00(失效) | 320,00(失效) | 失效 | 失效 |
| Pt/α-氧化铝的火炬喷射火花塞 | 160,00 | 230,00 | 250,00 | 失效 | 失效 |
| Pt/γ-氧化铝的火炬喷射火花塞 | 20,000 | 230,00 | 230,00 | 250,00 | 250,00 |
经过400小时测试后，使用铂和γ-氧化铝的火炬喷射火花塞继续能在电压范围内产生火花。400小时测试制度是用来加速火花塞失效的测试，这个时间意味着在现实驾驶中火花塞能使用60,000英里。很快就会需要火花塞能连续使用，所有其他设备能够维持允许车辆排放的时间，这个时间相当的驾驶里程可达120,000英里。在那时，进行120,000英里耐久性测试是不切实际的。因此，测试必须在400小时后终止。
注意到Pt/γ-氧化铝电极在火花塞整个测试过程中的所需产生火花范围内仍能工作。标准火花塞(带有铂上接头的电极)在开始时，比要求的电压范围(由火花塞“空隙”决定)要低，因此它能维持更长时间。用着墨轴的火炬喷射火花塞不能维持100小时的最低要求。
进行了另一个测试来评价Pt/γ-氧化铝电极。它是测量电极的质量损失。因为随着电极的磨蚀，“空隙”不断增大，因此要求减少电极磨蚀损失的质量。随着空隙的增加，要求的电压也增加，最终空隙变得很大，不可能有足够高的电压产生火花闪过空隙，导致火花塞失效。在测试开始前，电极约有30mg的铂，100小时测试后，电极仅损失4mg的铂；400小时测试后，电极仅损失6mg的铂。因此从100小时到400小时，电极仅有少量的磨蚀。
本专利涉及的粗颗粒电极的制备方法包括几个步骤。第一步将上面描述的电极组合物喷射到陶瓷绝缘体18的预燃烧室30的内部，在预燃烧室30的内表面32上沉积形成一层电极涂层34。然后将电极涂层34和陶瓷绝缘体18一起在1600℃进行烧成，使得电极涂层中的导电材料烧结，将电极涂层34嵌在陶瓷绝缘体18的内表面上。导电材料也形成为环绕陶瓷颗粒35的带状结构。
根据专利法，已经将实施本发明的目前较好的实施方案作了详细的阐述。在不偏离本发明权利要求的精神和范围的情况下，实施本发明的各种替代方法对本领域内具有技能的人员而言是显而易见的。因此具有这种技能的人员也要意识到以上描述仅仅是举例性说明，不要认为任何保护的权利要求仅限于一些特定狭隘的解释。
因此，为了促进科学和本领域技术的发展，我们通过专利法案所赋予我们的权利，在专利法规定的时间内，要求对以下权利要求书所包括的主题实施保护。
Claims (25)
1.一种用于制备火炬喷射火花塞电极的组合物，所述组合物包含：
(a)一种陶瓷材料；
(b)分散于所述陶瓷材料中的陶瓷颗粒，至少有一部分所述陶瓷颗粒具有预定的粒度，此预定的粒度至少与电极的厚度一样大；
(c)一种导电材料，它经过处理能形成环绕所述陶瓷颗粒的带状结构，并烧结形成所述电极。
2.如权利要求1所述的组合物，其中所述的陶瓷材料是多孔性的γ-氧化铝。
3.如权利要求1所述的组合物，其中所述的陶瓷颗粒是氧化铝颗粒，所述的预定粒度约为10μm或更大。
4.如权利要求3所述的组合物，其中所述的具有预定粒度约为10μm或更大的氧化铝颗粒至少占这种材料中固体重量的20％。
5.如权利要求1所述的组合物，其中所述的导电材料是铂。
6.如权利要求1所述的组合物，还包含一种液态载体材料。
7.如权利要求1所述的组合物，还包含一种粘结剂。
8.如权利要求1所述的组合物，还包一种挥发性材料，如不溶性的有机材料。
9.一种火炬喷射火花塞，包括一个能抵御爆炸性磨蚀作用的粗颗粒电极，所述的火炬喷射火花塞包括：
(a)一个陶瓷绝缘体；
(b)一个嵌埋在所述陶瓷绝缘体内表面的电极，所述电极由以下组合物形成，该组合物包含：
(i)一种陶瓷材料；
(ii)分散于所述陶瓷材料中的陶瓷颗粒，至少有一部分所述陶瓷颗粒具有预定的粒度，此预定的粒度至少与电极的厚度一样大，
(iii)一种导电材料，它经过处理能形成环绕所述陶瓷颗粒的带状结构，并烧结形成所述电极。
10.如权利要求9所述的包括粗颗粒电极的火炬喷射火花塞，其中所述的陶瓷材料是多孔性的γ-氧化铝。
11.如权利要求9所述的包括粗颗粒电极的火炬喷射火花塞，其中所述的陶瓷颗粒是氧化铝颗粒，所述的预定粒度约为10μm或更大。
12.如权利要求11所述的包括粗颗粒电极的火炬喷射火花塞，其中所述的具有预定粒度约为10μm或更大的氧化铝颗粒至少占所述组合物中固体重量的20％。
13.如权利要求9所述的包括粗颗粒电极的火炬喷射火花塞，其中所述的导电材料是铂。
14.如权利要求9所述的包括粗颗粒电极的火炬喷射火花塞，其中所述组合物还包含一种液态载体材料。
15.如权利要求9所述的包括粗颗粒电极的火炬喷射火花塞，其中所述组合物还包含一种粘结剂。
16.如权利要求9所述的包括粗颗粒电极的火炬喷射火花塞，其中所述组合物还包含一种挥发性材料，如不溶性的有机材料，它在充分烧成的电极中留下敞开的孔隙。
17.一种制备能抵御爆炸性磨蚀作用的粗颗粒电极的方法，这种电极用于使用寿命长的火炬喷射火花塞，这种火炬喷射火花塞包括一个陶瓷绝缘体，所述的方法包括几个步骤：
(a)提供一种组合物，该组合物包含一种陶瓷材料、分散于所述陶瓷材料中的陶瓷颗粒和一种导电材料，至少部分所述陶瓷颗粒具有预定的粒度，预定的粒度至少与电极的厚度一样大；
(b)将所述的组合物喷射到所述的陶瓷绝缘体的内部，在所述陶瓷绝缘体内沉积形成一层电极涂层；
(c)将所述电极涂层和所述陶瓷绝缘体一起烧成，使得所述导电材料烧结形成嵌埋在所述陶瓷绝缘体内壁上的导电电极，导电材料以带状包围着所述陶瓷颗粒，形成能抵御爆炸性磨蚀作用的电极，从而延长火炬喷射火花塞的使用寿命。
18.如权利要求17所述的制备一种粗颗粒电极的方法，其中所述的陶瓷材料是多孔性的γ-氧化铝。
19.如权利要求17所述的制备一种粗颗粒电极的方法，其中所述的陶瓷颗粒是氧化铝颗粒，所述的预定粒度约为10μm或更大。
20.如权利要求19所述的制备一种粗颗粒电极的方法，其中所述的具有预定粒度约为10μm或更大的氧化铝颗粒至少占所述混合物中固体重量的20％。
21.如权利要求17所述的制备一种粗颗粒电极的方法，其中所述的导电材料是铂。
22.如权利要求17所述的制备一种粗颗粒电极的方法，包括将所述组合物悬浮于一种液态载体中的步骤，该液态载体有助于将所述组合物沉积在陶瓷绝缘体的内表面上，液态载体基本上被陶瓷绝缘体吸收。
23.如权利要求17所述的制备一种粗颗粒电极的方法，其中所述组合物还包含一种粘结剂。
24.如权利要求17所述的制备一种粗颗粒电极的方法，其中所述组合物还包含一种挥发性材料，如不溶性的有机材料，在所述组合物中占据一定空间，而到所述电极被充分烧成后，在充分烧成的电极中留下敞开的孔隙。
25.如权利要求17所述的制备一种粗颗粒电极的方法，其中所述电极涂层和陶瓷绝缘体在1600℃进行烧成。
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