用于点火装置绝缘体的、具有低的相对介电常数的陶瓷的制作方法

本专利申请要求2014年8月6日提交的、序列号为14/452,802的美国实用专利申请的权益，该申请现在是2015年6月9日准许的第9054502号美国专利，所述专利申请的所有内容在此通过引用而并入本文。

发明背景

1.发明领域

本发明主要涉及用于内燃机的点火器的绝缘体，诸如用于电晕点火器或火花塞的绝缘体，以及形成所述绝缘体的方法。

2.相关技术

在内燃机应用中使用的点火装置，诸如电晕点火器和火花塞，包括包围中心电极的绝缘体，绝缘体典型地由陶瓷材料形成，诸如能够承受在内燃机燃烧室中遇到的高温的氧化铝。然而，点火装置的性能会受到陶瓷绝缘体的限制。例如，在电晕点火器中，当绝缘体由相对介电常数为10到10.5的氧化铝陶瓷形成时，电效率由于电损耗而受到限制。这些电损耗是由于存储在氧化铝陶瓷中的电荷造成的，所述电荷典型地具有约15微微法的电容值。如果绝缘体由相对介电常数约为5的材料制成，诸如聚四氟乙烯(PTFE)，则电晕点火器的电效率可以提高约50％。然而，PTFE不能承受内燃机的高温，因此仍然优选陶瓷材料。

技术实现要素：

本发明的一方面提供一种用于诸如电晕点火器或火花塞的点火装置的绝缘体，该绝缘体提供改进的电效率并且能够承受内燃机中的高温。绝缘体包括陶瓷材料，基于陶瓷材料的总重量，其包括含量为28到38wt.％的氧化铝；含量为57到67wt.％的二氧化硅；以及含量为3到7wt.％的氧化钙。

本发明的另一方面提供一种制造用于点火装置的绝缘体的方法。该方法包括烘烤高岭土与以下至少一项的混合物：a)碳酸钙和二氧化硅；b)硅酸钙；以及c)硫酸钙和二氧化硅。

附图说明

当结合附图考虑时，参照以下的详细说明可以更好地理解本发明的其它优点，所以将很容易地看到本发明的其它优点，在附图中：

图1是按照本发明的一个示例性实施例的、包括改进的绝缘体的电晕点火器的截面图；以及

图2是按照本发明的另一个示例性实施例的、包括改进的绝缘体的火花塞的截面图。

具体实施方式

参照附图，其中在几个图中，相同的标号表示对应的部件，图上大致显示了用于点火装置22，122(诸如电晕点火器和火花塞)的绝缘体20，120。绝缘体20，120由包括钙铝硅酸盐玻璃和莫来石晶体的陶瓷材料制成，二者都具有低的相对介电常数。陶瓷材料的总体相对介电常数约为5.5到6.5，因此绝缘体20，120存储较少的电容电荷，与典型地被用来形成点火装置的绝缘体的氧化铝和其他陶瓷材料相比，提供了改进的电效率。绝缘体20，120还能够承受900到1000℃的温度，并且具有优良的抗热冲击性，使其适于在内燃机应用中使用。

在烘烤陶瓷材料之后，基于陶瓷材料的总重量，绝缘体20，120的陶瓷材料包括：含量为28到38重量百分比(wt.％)的氧化铝；含量为57到67wt.％的二氧化硅；和含量为3到7wt.％的氧化钙。在优选的示例性实施例中，在烘烤之后，基于陶瓷材料的总重量，氧化铝以33wt.％的含量存在，二氧化硅以62wt.％的含量存在，并且氧化钙以5wt.％的含量存在。

用来形成绝缘体20，120的陶瓷材料可包括少量的其它成分。然而，陶瓷材料优选不含结晶二氧化硅，以便实现足以在内燃机应用中使用的机械强度和抗热冲击性。在烘烤之后，基于陶瓷材料的总重量，陶瓷材料优选包括含量为0wt.％的结晶二氧化硅，但可包括含量高达2wt.％的结晶二氧化硅。陶瓷材料还优选不含碱金属或其氧化物，诸如氧化钠或氧化钾，以便防止介质损耗和提高导电率。碱金属可在元素周期表的第1组中找到，它由化学元素锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)和钫(Fr)组成。在烘烤之后，基于陶瓷材料的总重量，陶瓷材料优选包括含量为0wt.％的碱金属或其氧化物，但可包括含量高达2wt.％的碱金属或其氧化物。

在示例性实施例中，整个绝缘体20，120都由上述陶瓷材料组成，或基本上由上述陶瓷材料组成。然而，替换地，绝缘体20，120的绝大部分可由上述陶瓷材料组成，或基本上由上述陶瓷材料组成，而绝缘体20的较小部分由其他材料制成。在再一个实施例中，绝缘体20包括陶瓷材料，但不到一半的绝缘体20由陶瓷材料组成，或基本上由陶瓷材料组成。

本发明的另一个方面提供包括改进的绝缘体20，120的点火装置22，122。在图1的示例性实施例中，点火装置22是电晕点火器。电晕点火器可包括各种不同的设计。然而，在图1的示例性电晕点火器中，绝缘体20从绝缘体上端24沿中心轴A纵向延伸到绝缘体突出端26。绝缘体20还限定围绕孔的绝缘体内表面28，该孔从绝缘体上端24纵向延伸到绝缘体突出端26，用于接纳中心电极30。绝缘体内表面28限定绝缘体内径Di，该内径延伸穿过且垂直于中心轴A。绝缘体内径Di典型地随着朝绝缘体突出端26前进而沿绝缘体20的一部分减小，用于支持中心电极30的一部分。

本示例性实施例的绝缘体20还限定延伸穿过且垂直于中心轴A的、具有绝缘体外径Do的绝缘体外表面32。绝缘体外表面32从绝缘体上端24纵向延伸到绝缘体突出端26。在示例性实施例中，绝缘体外径Do随着朝绝缘体突出端26前进而沿绝缘体20的靠近绝缘体突出端26的部分减小，以限定绝缘体突出区域34。绝缘体外径Do还在与绝缘体突出区域34间隔开的位置处，大约在绝缘体20的中部处，沿朝绝缘体突出端26前进的方向减小，以便限定绝缘体下肩部36。绝缘体外径Do还在与绝缘体下肩部36间隔开的位置处，沿绝缘体20的、朝绝缘体上端24前进的部分减小，以便限定绝缘体上肩部38。

电晕点火器的中心电极30由导电材料制成，并且被放置在绝缘体20的孔中。中心电极30具有沿中心轴A从末端40延伸到点火端42的长度L，其中中心电极30的大部分长度L被绝缘体20包围。在示例性实施例中，中心电极30包括在点火端42处的点火尖端44。点火尖端44具有多个分支，每个分支从中心轴A径向向外延伸，用于提供电晕放电。

电晕点火器典型地还包括端子48，它布置在绝缘体20的孔中并接合中心电极30的末端40。密封50则布置在中心电极30的末端40处，并且围绕端子48的一部分，从而填充孔的一部分。由金属制成的外壳52典型地包围绝缘体20的一部分，并将绝缘体20连接到内燃机的气缸体(未示出)。外壳52沿中心轴A从外壳上端54延伸到外壳下端56。外壳上端54布置在绝缘体上肩部38与绝缘体上端24之间，并且接合绝缘体20。外壳下端56布置成靠近绝缘体突出区域34，从而至少一部分的绝缘体突出区域34沿轴向延伸到外壳下端56之外。

在另一个示例性实施例中，如图2所示，包括改进的绝缘体120的点火装置122是火花塞。在这个示例性实施例中，绝缘体120从绝缘体上端124沿中心轴A纵向延伸到绝缘体突出端126。绝缘体120还限定围绕孔的绝缘体内表面128，该孔从绝缘体上端124纵向延伸到绝缘体突出端126，用来接纳中心电极130。绝缘体内表面128限定绝缘体内径Di，该内径延伸穿过并垂直于中心轴A，并且随着朝绝缘体突出端126前进而沿绝缘体120的一部分减小，用于支撑中心电极30的一部分。

本示例性实施例的绝缘体120还包括延伸穿过且垂直于中心轴A的、具有绝缘体外径Do的绝缘体外表面132。绝缘体外表面132从绝缘体上端124沿纵向延伸到绝缘体突出端126，并且绝缘体外径Do随着朝向绝缘体突出端126前进而沿靠近绝缘体突出端126的、绝缘体120的一部分减小，以限定绝缘体突出区域134。绝缘体外径Do还在与绝缘体突出区域134间隔开的位置处，大约在绝缘体20的中部处，沿朝绝缘体突出端26前进的方向减小，以限定绝缘体下肩部136，以及在与绝缘体下肩部136间隔开的位置处，随着朝绝缘体上端124前进而沿绝缘体120的一部分减小，以便限定绝缘体上肩部138。

火花塞的中心电极130也由导电材料形成，并被置于绝缘体120的孔中。中心电极130具有沿中心轴A从末端140延伸到点火端142长度L，并且长度L的大部分被绝缘体120包围。不像电晕点火器的中心电极30，火花塞的中心电极130包括在点火端142处的中心点火表面160，用于提供火花。该中心电极130可包括点火尖端(未示出)，形成所述点火尖端的导电材料比形成中心电极130其它部分的材料更持久。

火花塞典型地还包括布置在绝缘体120的孔中且连接到中心电极130的末端140的端子148。密封150填充绝缘体120的孔的一部分，并且将中心电极130的末端140连接到端子148。金属外壳152沿中心轴A从外壳上端154延伸到外壳下端156，并且包围绝缘体120的一部分。在本示例性实施例中，外壳上端154布置在绝缘体上肩部138与绝缘体上端124之间，并且接合绝缘体120，外壳下端156布置成靠近绝缘体突出区域134，以使绝缘体突出区域134的至少一部分沿轴向延伸到外壳下端156之外。

火花塞还包括由导电材料制成的接地电极158，如图2所示。接地电极158从外壳下端156向中心电极130延伸。接地电极158包括面向中心点火表面160的接地点火表面162，以提供点火表面160，162之间的火花隙。

本发明的另一方面提供制造在诸如电晕点火器或火花塞的点火装置22，122中使用的绝缘体20，120的方法。该方法包括烘烤高岭土(Al₂Si₂O₅(OH)₄)、碳酸钙(CaCO₃)、二氧化硅(SiO₂)、硅酸钙(Ca₂SiO₄)和/或硫酸钙(CaSO₄)的混合物。部分高岭土(Al₂Si₂O₅(OH)₄)可以用煅烧高岭土(Al₂Si₂O₇)替换，通过把高岭土加热到超过约700℃的温度，由此通过移去化学键合水(chemically bonded water)把高岭土转换成元高岭土而被制成煅烧高岭土。该方法产生上述材料，该材料包括钙铝硅酸盐玻璃和莫来石晶体的混合物。基于烘烤后陶瓷材料的总重量，陶瓷材料的组分包括含量为28到38wt.％的氧化铝，含量为57到67wt.％的二氧化硅，以及含量为3到7wt.％的氧化钙。

方法典型地包括烘烤高岭土、碳酸钙和二氧化硅的混合物，在这种情形下，碳酸钙和得到的氧化钙在烘烤期间起到助熔剂的作用。替换地，方法可以包括烘烤高岭土和硅酸钙的混合物；和/或烘烤高岭土、硫酸钙和二氧化硅的混合物。

显然，鉴于以上教导，本发明的许多修正方案和变形例都是可能的，这许多修正方案和变例可以不同于这里具体地描述的那样被实践，但仍在以下权利要求的范围内。