带有内置燃烧传感器的火花点火装置的制作方法

专利名称：带有内置燃烧传感器的火花点火装置的制作方法
技术领域：
本发明整体涉及通过火花点火的装置，如火花塞，更特别的是具有内置燃烧传感 器的火花塞。
背景技术：
火花塞已经在许多年中使用以提供在受控燃烧式的内燃发动机的燃烧室内点燃 碳氢燃料和空气的混合物的点火装置。为了适应发动机的特殊设计和特殊环境，火花塞有 许多形状。火花塞通常包括被一绝缘体包围的中心电极，绝缘体位于金属主体或金属壳体 中并被其束持。壳体一般具有多个螺纹，这些螺纹与位于汽缸盖中在称为火花塞井的孔腔 处的螺纹相适应。螺纹允许通过使用传统工具将火花塞拧入汽缸盖中。另外，壳体包括至 少一接地电极，所述接地电极位于靠近中心电极的壳体一端部上，或者从该端部延伸。接地 电极与中心电极一起形成电极间隙，火花可以在该间隙处产生。壳体还以接地屏蔽的方式 起作用，以建立从电极间隙带引到发动机组的接地路径。火花塞以密封方式支承于或撑靠 着发动机的汽缸盖，以便密封地关闭燃烧室和防止燃烧气体穿过相应的火花塞井泄漏。受控点火式发动机趋于始终输送更大的功率，并始终具有更高的效率以及使用各 种类型的燃料，这在整体上增加了针对为达到这些目标所必需的各种类型燃烧传感器及其 使用的需求，同时允许更好地控制发动机和燃烧过程。燃烧传感器、特别是燃烧压力传感器，通常是穿过只为容纳这些传感器所形成的 专门螺纹孔插入燃烧室中的不同传感器，由于传感器成本较高，并且要使用它们另外需要 在汽缸盖内和汽缸盖附近有空间，因此传感器本身一般只使用于发动机开发和发动机控制 的阶段，而不用在大批量生产中。越来越需要多个阀门、多个燃料注入点、带有线圈式受控 点火系统、其它与燃烧相关的传感器和其它特征的发动机设计，都对紧邻燃烧室的汽缸盖 中和汽缸盖附近的空间壳体、特别是位于燃烧室之上的空间提出了越来越多的需求，这些 需求接着又使得希望减小火花塞和燃烧压力传感器所必需的总空间壳体。另外，与大批量 生产的发动机及发动机控制装置共同使用燃烧压力传感器，这需要成本相对单位压力传感 器成本显著降低的传感器设计。为此，在专利N° US-6756722中提出了火花塞与压电燃烧传感器的结合。在该专 利中，火花塞具有一金属壳体，金属壳体具有环形中心孔腔；一陶瓷绝缘体，其也具有一 中心孔腔，并通过使壳体的一部分变形而固定于壳体，且还被壳体的环形孔腔中形成的一 凸缘保持；一中心电极，其位于绝缘体的中心孔腔中；和固定在壳体上的接地电极，接地电 极与中心电极隔开，以形成电极间隙。所述专利的火花塞配有一柱形的压电传感器，该传感 器由一定数量的位于火花塞外表面上的柱形器件形成。压电传感器的器件被束缚在一金属 保持元件与一带有凸缘的柱形座之间，金属保持元件在一端部还包括用于固定火花塞的六 边形头部，带有凸缘的柱形座设计用于贴靠绝缘体或壳体的回折部。两个柱形垫圈位于保 持元件和柱形座的附近并在它们之间，以便具有各自的承靠表面并保护一对相应的压电陶 瓷元件，一唯一的柱形电极将该对压电陶瓷元件互相分开。一绝缘体在压电陶瓷和电极的附近位于柱形座上，以使它们与柱形座电绝缘。一 0形圈位于在柱形座的内孔腔中的凹槽 中，以保证火花塞的柱形座与绝缘体之间的防水密封性。在装置的制造和组装的过程中，传 感器的器件位于组装好的火花塞的绝缘体和壳体之上，并在保持元件与座之间被施以压缩 预应力。一旦达到预先确定的预应力，则通过激光焊接将保持元件固定在壳体上，以便完成 火花塞和传感器的组装。在上述专利N° US_‘722中所示的包括内置压力传感器的火花塞 的运行期间，在内燃发动机中燃料和空气混合物每次燃烧时，根据靠着柱形座的传感器和 火花塞的特殊构形，燃烧气体的压力作用在绝缘体和/或壳体上，因此进一步压缩并促动 压电元件并产生与燃烧气体施加的压力有关的输出电信号。因此，上述专利N。US- ‘722 的装置同时被设计用于产生受控点火用的火花和产生代表合成燃烧压力的输出信号。专利申请DE102005062881中描述了另一带有内置压力传感器的火花塞。该申请 描述的火花塞具有与前述专利N° US- ‘722的火花塞元件相类似的元件，因此这里不再重 复描述这些元件。但是，压力传感器的结构与专利N° US- ‘722中描述的传感器结构稍有 不同。专利N。- ‘722描述了位于火花塞外部上、特别是在壳体和绝缘体的外部上的传感 器组件，而专利申请DE- ‘881描述了位于火花塞内部、特别是在绝缘体的一部分与壳体之 间的压电压力传感器。在上述DE102005062881的公开文本中，绝缘体被支撑在壳体内一突 肩上，该突肩与绝缘体的中心鼻状区域相对应。绝缘体和壳体每一个还包括一些附加的下 突肩，这些下突肩一起形成呈平行四边形的空腔，该空腔用于束缚压电传感器的元件，这些 元件包括倒角的压电柱——其被倒角以与绝缘体突肩相适配、和弹性垫圈——其具有合适 形状以适配于壳体的突肩。一圆形电极形成于绝缘体的下突肩的表面，并为压电元件的倒 角表面建立电连接。圆形电极与一竖直的电极区电连接，该竖直的电极区本身与在绝缘体 自由表面上形成的另一圆形电极电连接，在压力传感器运行的过程中，该自由表面适于允 许在传感器上的外部电连接和从传感器的输出。在火花塞的组装过程中，在形成有壳体上 突肩的同时，将压缩预应力施加于绝缘体、壳体和压电传感器。在具有内置压力传感器的上 述申请DE102005062881的火花塞的运行过程中，在内燃发动机中燃料和空气的混合物每 次燃烧时，燃烧气体的压力趋向于在容纳传感器的空间中通过压力使绝缘体弹性远离开壳 体，因此周期性地减小整体的预应力并产生与燃烧气体施加的压力有关的电信号。图9所示的国际申请W0-2008/003846描述了具有内置压力传感器的火花塞的又 另一构形。在该申请中，外壳体208的外表面包括螺纹220，该螺纹用于把火花塞旋拧到火 花塞井中。螺纹底切部222位于螺纹220之上，并形成螺纹区220与本体之间的过渡。螺 纹底切部222形成向宽于本体其余部分的本体衬垫凸缘224的过渡，本体衬垫凸缘通过一 突肩收缩直到本体的上部分。外壳体的本体上部分的壁厚大体均勻，并有一个壁厚减小的 小的可变形区(组装前)，在组装火花塞的过程中，在该部分加热的同时，该小的可变形区 向内径向地和轴向地被压挤，以形成对气体的密封垫并把外壳体机械固定(即“热封”)在 绝缘体上。组装后，本体上部分的壁厚基本均勻。在本体上部分的与衬垫凸缘相对的自由 端部，存在包括突肩216的回折部或凸边218，其也与火花塞共同形成并把绝缘体206束缚 在外壳体208的内部。压电传感器230支靠在下突肩上，并且沿本体上部分延伸。压电传 感器230可以或者包括压电元件或者包括压敏电阻元件，并且包括由金属如钢形成的中间 环或下环226，其总体上以横截面成L形状地、从支靠在本体突肩上和可变形区上的一更窄 区部一直延伸到构成下环形电极234在其下表面上用的座的更宽区部。下环形电极234的上表面提供压电元件232用的机械座和电接触。该压电元件232呈柱形环的形式或呈具有 矩形横截面的盘的形式。该元件232可以是压电元件，或者是压敏电阻元件。上环形电极 234的下表面也提供对于压电元件232的相对机械座和电接触。上环形电极234的上表面 支靠着绝缘垫圈236的下表面。绝缘垫圈236支靠在上环形电极234上，使其与上套筒238 的端部电绝缘。上环形电极234的内径和与之相邻的本体外径部分选择成建立足够以保证 上环形电极234与本体之间的电绝缘的空间。上套筒238与本体的外表面接触，并焊接在 该外表面上。在来自从上套筒238施加在绝缘垫圈236上表面的压力的压缩预应力下，压 电传感器230的元件物理接触。上套筒238焊接于本体则固定了预应力。上环形电极234 还包括连接爪240，该连接爪轴向延伸以电连接于一信号线，以便传输由压电传感器230输 送出的信号。在包括内置压力传感器的申请WO- ‘846的火花塞的运行期间，在内燃发动机 中，燃料和空气的混合物每次燃烧时，燃烧气体的压力趋向于从与中心电极202相关联的 点火端部、接地电极204和它们之间的间隙向外对着绝缘体206施加轴向压力。因此，绝缘 体206将支靠着外壳体的回折部218，并导致外壳体208在位于回折部218和本体衬垫凸 缘224之间的区域中的周期性弹性拉伸变形，该区域也是外壳体208的靠近压电传感器230 的区域。外壳体208的该牵拉延伸还周期性地减小传感器230的组装预应力，并产生与燃 烧气体施加的压力有关的电信号，该电信号可以通过连接爪240被输送出。传感器还包括 覆盖罩242，该覆盖罩保护传感器的其它元件不受机械破坏并防止污物、水和其它污染物进 入，并且消除无线电频率干扰影响。尽管上述申请WO- ‘846的装置与前述专利US- ‘722的装置有一定的相似性—— 这种相似性在于传感器元件位于火花塞的绝缘体和壳体外，但是W0-‘846与专利US-‘722 的不同在于传感器元件的性质和布置、以及在装置运行期间使其与绝缘体和外壳体相互作 用的部件。例如，申请WO- ‘846描述了唯一的压电元件而不是专利US- ‘722中的两个，并 且申请WO- ‘846不包括电极，而专利US- ‘722中描述的传感器情况却包括电极。另外，申 请TO-‘846的压电传感器只固定在外壳体上并由外壳体支承，而这也与专利US-‘722的各 种实施方式不同，在专利US- ‘722的各种实施方式中，传感器固定在外壳体上，并且通过绝 缘体和罩子的结合、或绝缘体和外壳体和罩子的结合支承。申请WO- ‘846与申请DE- ‘881 的相似之处在于，传感器承受压缩预应力，并在火花塞运行期间，当绝缘体被轴向向外推向 壳体时应力周期性减小，其结果是使得周期性卸载预载压力的一部分。但是，压力传感器的 内部结构和使用不同元件以及元件布置使得申请WO- ‘846的火花塞与申请DE- ‘881的火 花塞不同。尽管包括内置压力传感器的现有技术的这些火花塞设计使得它们各自彼此不同， 但它们代表了技术进步的例子。但是仍还存在对于进一步提高技术进步的具有内置燃烧气 体传感器的内置火花塞的需求。

发明内容
已提出用于点燃在内燃发动机中的燃料/空气混合物并具有内置汽油(或其它碳 氢燃料)的燃烧传感器的火花塞。火花塞包括中心电极组件，中心电极在一端部具有联 接杆而在另一端部具有包括放电表面的中心电极；围绕中心电极组件并整体为管形的绝缘 体；围绕绝缘体的壳体，并且壳体具有在第一端部上的回折部、具有外表面的本体和在本体衬垫凸缘上的本体突肩、螺纹部分和接地电极；与位于本体外表面附近和在本体突肩上的 压敏传感器组件，该组件包括下电极接头、压敏换能器(或压敏元件)、上电极接头、具有突 起上表面的绝缘体、和固定在本体上的上套筒。绝缘体的突起上表面的作用是实现绝缘体 与上套筒之间的线性接触。根据另一方面，绝缘体包括具有至少一倒角的上表面，而非突起的上表面。倒角的 作用也是实现绝缘体与上套筒之间的线性接触。根据另一方面，每个倒角具有一倒角长度和一倒角角度，并且沿绝缘体上表面的 力轴线的位置取决于所述倒角长度和/或倒角角度。根据另一方面，压敏换能器是压电或压敏电阻型的换能器。根据另一方面，压敏换能器是包括压电陶瓷的压电换能器。压电陶瓷可以包括钛 酸盐、铌酸盐、钽酸盐、钨酸盐或石英。根据另一方面，倒角的作用是建立上套筒的下表面与绝缘体上表面之间的轴向的 力接触线。根据另一方面，上电极接头的横截面为L形。根据另一方面，上套筒包括位于上套筒内径上的扩孔。根据另一方面，扩孔位于上套筒的中间部分内。根据另一方面，扩孔的横截面形状为梯形。根据另一方面，压敏传感器组件的有效运行频率高达20kHz左右，更特别的是在 0. 5-20kHz 之间。根据另一方面，本发明涉及火花塞的实施方法，该方法包括以下步骤形成火花塞，火花塞包括中心电极组件，该组件在一端部包括联接杆而在相反端 部包括具有放电表面的中心电极；围绕中心电极组件并且整体为管形的绝缘体；和围绕绝 缘体的壳体，壳体在其长度上具有在第一端部上的回折部、具有外表面的本体和在本体衬 垫凸缘上的本体突肩、以及螺纹部分和接地电极。将压敏传感器组件插到本体外表面附近于本体突肩上，该组件包括下电极接头、 压敏换能器、上电极接头、具有突起上表面的绝缘体和上套筒；并对压敏传感器组件施以压 缩预应力以使该组件支靠于本体突肩；和将上套筒固定在本体上，以便锁定压敏传感器组件的预应力。


通过下面参照附图以非限定例子方式进行的详细描述，本发明的这些特征以及其 它特征和优点将更加清楚地体现出来，附图如下图1是符合本发明的一实施方式的火花塞的俯视图；图2是沿图1的线2-2的火花塞的局部剖面图；图3是图2的区域3的剖面细部图；图4是图2壳体的纵向半剖面图；图5是图2绝缘体的轴向剖面图；图6是图2的压敏传感器组件的轴向分解剖面图；图7是沿图1的线7-7的局部剖面放大图8是图2联接杆的轴向半剖面图；及图9是具有内置燃烧传感器的现有技术火花塞的轴向剖面图。
具体实施例方式参照附图——在这些附图中相同参考数字在多幅视图中表示相似或对应的构件， 根据本发明，在图1到图3中整体用参考数字10表示一火花塞，该火花塞用于在火花点火 应用中、例如在内燃发动机中，通过火花实现点火并实现由此产生的燃烧现象的检测。火花 塞10可以与各种方式和各种设计的内燃发动机一起使用，其中包括汽油发动机以及用其 它碳氢燃料如E85、丙烷或类似燃料驱动的发动机。火花塞10包括整体用参考数字12表示 的绝缘体、整体用参考数字14表示的壳体、和整体用参考数字16表示的中心电极组件。壳 体14有利地由钢合金(例如牌号1215的钢)或类似材料制成，并且如下面将更详细描述 的该壳体被构造成用以保持或束缚绝缘体12和中心电极组件16。绝缘体12是总体为柱形 的伸长形状的电绝缘元件，其可具有许多可能的构形，但一般包括多种横截面直径、在产生 火花的端部的一个锥形部分和至少一个设计用于接纳中心电极16的中心孔腔，绝缘体由 氧化铝或用于高温的类似介电材料制成。如下面更详细描述的，壳体14具有一包括接地电 极18的区部，该接地电极从中突伸出。图2表示如这里所描述的在壳体和绝缘体互相热封 后的组装状态中的火花塞10。在上面描述的热封后的完全组装状态下，壳体14的可变形区 20至少部分地被压扁，以响应与压缩力施加相关的所述元件的加热，该压缩力促动壳体14 的位于该元件之上和之下的部分直至在压力下接触绝缘体12。参照图2和5，火花塞10包括整体带有参考数字12的管形陶瓷绝缘体，该绝缘体 有利地由陶瓷材料如氧化铝、特别是氧化铝、氧化锆和各种玻璃的混合物、可玻璃化材料和 其他改变剂制成，如文献US-7 169 723中所描述的，或者由其它合适的材料制成，所述其 它合适的材料具有特殊介电刚性、高机械强度、高导热性和非常好的抗热冲击强度并适于 在内燃发动机的高温运行环境中作为介电材料使用。绝缘体12可在极端压力下干模制成， 然后使用熟悉的方法在高温下焙烧。绝缘体12具有外表面，其可包括局部露出的上柱部分 22，合成材料制的火花塞罩24包围并锁紧该上柱部分以便保持与点火系统的功能性电连 接。暴露出的上柱部分22可以具有一系列肋条(未示出)，用以保证防护火花或二次电压 引起的“电弧”的附加保护并改进与火花塞罩子的接合。与图9的现有技术的火花塞相比， 本发明的绝缘体12具有明显缩短的柱22。例如，图9实施方式的绝缘体的从衬垫座224的 下侧直到终端部250测得的高度约为1. 88英寸(47. 75mm)，而本发明的相同部分的高度约 为1. 13英寸(28. 70mm)。绝缘体12的结构总体上呈管形或环形，包括中心孔腔或中心通道 26，中心孔腔或中心通道26纵向地延伸在靠近终端部30的上部分28与靠近中心鼻端部34 的下部分32之间。中心通道26的横截面的直径是变化的，所述直径一般在终端部30或在 终端部30附近最大，而在中心鼻端部34或在紧邻该中心鼻端部最小。重新参照图1-3和 5，总体为管形的绝缘体12围绕下面描述的中心电极组件16。绝缘体12整体包括连续一系 列的直径变化的管形区段。这些区段包括绝缘体的第一区段36，该第一区段围绕中心电极 组件16的联接杆40的连接器的延长部38。该绝缘体第一区段36连接到绝缘体的第一突 肩42，第一突肩42在压力下接触壳体14的回折部44(参见在已安装位置的图2和在变形 前的图4)，并且第一突肩42本身由绝缘体的第二区段46延长。绝缘体的第二区段46的直径大于绝缘体的第一区段36的直径，并且位于壳体14的本体48内于第一孔腔区段47 中。绝缘体的第二突肩50与壳体的第一突肩52隔开，并且由绝缘体的第三区段54延长。 绝缘体的第三区段54的直径有利地小于绝缘体的第二区段46的直径，并整体小于绝缘体 的第一区段36的直径，并且位于壳体的第二区段56中。绝缘体的第三突肩58在压力下接 触壳体的第二突肩60，并且由锥形的中心鼻部62延长，中心鼻部部分地位于壳体的第三区 段64内并从第三区段突伸出。中心鼻部62容纳中心电极84。图2和5所示的绝缘体12 的实施方式以及它与某些其它元件如壳体和中心电极组件16的相互关系作为非限定例子 给出，因此绝缘体12和这些元件的其它构型都是可以的而不超过本发明的范围。如图2和4 一般所示的，整体用参考数字14表示有利地是金属的导电壳体。壳体 14可由任何适当金属制成，例如各种有涂层和无涂层的钢合金，如牌号1215的钢。壳体14 可以通过保护层如镍或镍合金的沉积或其它施加法被涂覆。壳体14具有总体呈环形的内 表面或孔腔68，该内表面或孔腔围绕绝缘体12的外表面并且如这里描述的，被设计成在压 力下密封接触绝缘体12的外表面，并且壳体包括至少一接地电极18，接地电极18可以如图 2所示是被固定的或者可具有靠近中心电极84的壳体14端部。壳体14围绕下区段——其 中包括绝缘体12的第二区段46、第三区段54和中心鼻区段62，并且壳体包括至少一接地 电极18。尽管图2中接地电极18表示为唯一的传统L形状，但可看出的是，可根据希望的 接地电极构形和火花塞10针对的应用，由许多个具有L形、直的或弯曲的各种构形的接地 电极代替。壳体14还包括下内压缩凸缘或第二压缩突肩60，其设计用于压力接触地承靠着 绝缘体12的第三突肩58。壳体14另外包括上压缩凸缘或上压缩回折部44，上压缩凸缘 或上压缩回折部在组装作业期间以另一方式形成或被压接，用以压力接触承靠于绝缘体12 的第一突肩42。而这是由图4所示的变形前的本体48—突肩部分44’实现的。正如已经 指出的，壳体14还可包括可变形区20，该可变形区设计成并适于回应对可变形区20的加热 和回应回折部44变形后轴向压扁压缩力的相关施加，而轴向和径向地向内压扁，以便将壳 体14保持在相对绝缘体12的轴向固定位置并在绝缘体12与壳体14之间形成对气体的密 封垫。垫圈、粘合剂或其它密封复合物可间置于绝缘体12与壳体14之间，以保证对气体的 完全密封并提高组装好的火花塞10的结构整体性。壳体14的外表面包括螺纹部分70，该螺纹部分用于将火花塞拧入汽缸盖中。位 于螺纹部分70之上的螺纹底切部分72形成螺纹区70与本体48之间的过渡。螺纹底切部 分72由在本体48的衬垫凸缘76上的衬垫座74延长，衬垫凸缘比本体48的其余部分更宽 并通过本体的突肩78收缩直至本体48的上部分80。衬垫座74设计用于贴靠着位于汽缸 盖中的火花塞井内的互补座。衬垫座74可以是与一衬垫(未示出)配合以形成适当界面 的方形突肩，火花塞10在汽缸盖中贴靠于所述界面，并保证壳体14的外表面与燃烧室中的 开口(未示出)的螺纹孔之间的空间对热气体的密封性。作为变型，衬垫座74可被设计成 是锥形座，用以允许以狭窄间隙(toMrance)就位并允许通过其本身可在汽缸盖中形成密 封，汽缸盖一般也设计为具有对于此类火花塞的互补锥度。如图2、4和5所示，壳体14具有环形孔腔68，该环形孔腔包括直径变化的一些区 段。这些区段包括与本体48相关的孔腔第一区段47。壳体的第一突肩52从孔腔的第一区 段47向内延伸，并且如图所示的其与绝缘体的第二突肩50隔开，并且本身由孔腔的第二区段56延长。孔腔的第二区段56与螺纹部分70的上部相关。壳体的第二突肩60从第二区 段56延伸，并设计用于与绝缘体的第三突肩58在压力下接触。壳体的第二突肩60由壳体 的第三区段64向内和向下延伸，该第三区段64与螺纹部分70的下部分相关并且其内径大 于壳体第二区段56的内径。尽管上面描述了图2、4和5上所示的壳体14的实施方式以及它与某些其它元件 如绝缘体12和中心电极组件16的关系，但是根据本发明，壳体14和这些元件的其它构型 也是可以的；但是与上面描述的在构形和功能类似的本体48和本体突肩78，构成壳体14 的这些其它实施方式的一部分。与大多数火花塞壳体不同的是，壳体14不具有在本体48—上部分上的固定部分， 如接受工具的六边形部分或用于取出火花塞和使火花塞在燃烧室一孔眼中就位的其他构 形。本体的外表面为柱形。而如下所示，更确切地，固定部分是被包括在传感器组件中。如图2所示，中心电极组件16包括联接杆40、导电电阻块90和中心电极84。导 电的联接杆40位于绝缘体12的中心通道26中，并且纵向延伸直到下端部86，其部分地下 降和嵌入到中心通道26中。联接杆40设计和实施成用于电连接在点火线的端子38上，并 且在适当时刻接受用于使火花塞10点火或运行所必需的高压放电，以在电极间隙88处产 生火花。联接杆40的下端部86嵌在玻璃制的导体密封垫82中，该密封垫82形成三层式 复合的防噪装置_密封垫组90的上层。玻璃制的导体密封垫82运行以密封联接杆40的 下端部86，并使其与电阻层92电连接。包括三层式防噪装置_密封垫组90的防噪和中心 层的电阻层92可以由任何适当组分形成。根据建议的设备和使用的点火系统的类型，这类 电阻层92可以设计成主要以传统的电阻式防噪装置的方式运行，或者作为变型，作为低电 阻运行。紧在电阻层92之下，玻璃制的第二导体密封垫94形成防噪装置-密封垫组90的 底层或下层，并且使联接杆40和防噪装置-密封垫组90电连接至中心电极84。上层82和 下层94可以由相同导电材料或由不同的导电材料形成。玻璃和其他材料制的密封垫与电 阻式和感应式防噪装置的许多其它构型是熟知的，因此也可在符合本发明的中心电极组件 中使用。根据本发明，联接杆40和中心电极84的许多其它构型也是可以的。因此，中心电 极组件16的作用是通过中心电极组件16输送点火系统的电力以到达电极间隙88，并为受 控点火式燃烧提供火花源。如图2所示，导电的中心电极84部分地位于中心通道26中，并且从其位于玻璃 制的下密封层94中的头部纵向延伸直到其端部96，该端部96暴露于火花并靠近接地电极 18。防噪装置-密封垫组90使联接杆40与中心电极84互相电连接，同时以密封方式封闭 中心通道26以防止任何燃烧气体泄漏，并且还阻止来自火花塞10的无线频率干扰发射。 导电中心电极84有利地由将高导热性结合于高热阻和高耐腐蚀性的导电材料形成。用于 导电中J心电极84的适当材料包括各种以镍为基础的合金，包括几种镍-铬-铁合金如 通常以 UNS N06600 命名并以 Inconel 600 、Nicrofer 7615 和 Ferrochronin 600 的 商标销售的合金，以及各种稀释的镍合金如包括至少重量百分比92%的镍的镍合金；和由 铝、硅、铬、钛和锰构成的组中的至少一元素。这些合金还可包括用以改善合金在高温下某 些特性的由稀土元素构成的合金添加剂，例如在钇、铪、镧、铈、钕构成的组中选择的至少一 种稀土元素。它们还可以包含少量的锆和硼，以进一步强化它们在高温下的性能。
接地电极18和中心电极84的一个或另一个或者这两者，还可设有导热芯(未示 出)。导热芯可由高导热率(例如> 250W/M*° K)的材料形成，如铜、银或它们中每一个 的各种合金。具有高导热率的芯用作散热器，并帮助在火花塞10运行和相关燃烧过程期间 排出电极间隙区88的热量，因此降低在该区中电极运行的温度并且另外改善它们的性能 和它们对热降解过程如高温下的氧化和腐蚀的耐受力。如图2所示，点火点98可以随意位于中心电极84的或接地电极18的放电端部96。 点火点98具有放电表面，用以穿过电极间隙88发射电子。中心电极84或接地电极18的 点火点98可以根据任何一已知技术实现，包括形成一单独构件，接着通过电阻焊接、激光 焊接或这些焊接的各种组合固定类似于接线柱、类似于线或类似于铆钉的一元件，其由任 一种已知的贵重材料或高性能合金形成，所述材料或合金以非限定的方式包括金、金的合 金、钼族金属，或钨的合金、金的合金，包括Au-Pd合金如Au-40Pd合金(重量百分比)。钼 族金属包括钼、铱、铑、钯、钌、铼和它们各种组合的合金。为了该应用，由于铼的高熔点和 其它与某些钼族金属类似的高温下特征，铼也包括在钼族金属的定义中。点火点98也可由 钨的各种合金形成，包括合金W-Ni、W-Cu、和W-Ni-Cu。使用于点火点98中的补充合金元素 可以非限定的方式包括镍、铬、铁、锰、铜、铝、钴、钨、锆和包括钇、镧、铈和钕的稀土元素。实 际上，任何在燃烧环境中具有良好耐腐蚀和耐侵蚀性的材料可都适于使用在点火点98的 材料成分中。参照图1、2、3和6，火花塞10的产生火花的部分已经进行了描述，火花塞还包括内 置的压力传感器100。压力传感器是压敏型传感器组件102，压敏型传感器组件102可作为 压力换能器运行，以把通过汽缸中压力变化在火花塞中感生的弹性变形的机械能转换为电 信号，该电信号可以从传感器组件输送出并因此提供有关燃烧现象的重要信息，该信息接 着应用于机动车的各种控制功能。根据所选择的压敏元件，压敏传感器组件可以是产生作 为传感器信号的可变输出电压的压电传感器式组件，或者是产生作为传感器信号的可变电 阻的压敏电阻传感器式组件。压敏传感器组件102支承在本体突肩78上，并且沿本体48的上部分80延伸。压 敏传感器组件102包括下电极接头104、压敏元件106、上电极接头108、绝缘体110和上套 筒112。这些元件以上面指出的顺序位于本体48上，并且通过施加压缩组装预应力互相功 能连接，并通过上套筒112焊接在本体48上而被保持在装配预应力下的组装。下电极接头104呈一薄环的形式，其内径大于本体48的外径，以便下电极接头104 可被安放组装在本体48上。下电极接头104的外径以适当方式与本体的突肩78共同确定， 以使其可靠置在本体的突肩78上。该突肩78还具有适当厚度，从而在组装预负荷的作用下 该突肩不承受任何塑性变形。在一实施方式例中，本体突肩的外径为0. 75英寸(19. 05mm)， 并且下电极接头104a的外径约为0.71英寸(18. 03mm)。在所指出的实施方式例中，下电极 接头104的宽度(沿直径)约为0. 07英寸(1. 78mm)，而厚度约为0. 019英寸(0. 483mm)。 下电极接头104可以用任何适当的导电材料制成，包括许多纯金属和合金。但是，优选下电 极接头104由其作为电触点的性能在发动机运行环境中不容易降低的导电材料形成，这些 性能包括已知的如在这些环境中发生的高温氧化和高温腐蚀过程的耐受性。在所指出的实 施方式例中，下电极接头104由黄铜制成。下电极接头104的下表面支靠在本体的突肩78 上，并且上表面提供压敏元件106用的机械座和电接触。
压敏元件106呈柱形环或柱形盘的形式。尽管许多横截面形状都被认为是可能 的，但压敏元件106可具有矩形的横截面，其中包括正方形的横截面。在其为矩形的情况 下，其也可在矩形的角处具有轻微倒角或倒圆(rayon)。压敏元件106可以是运行以产生作 为传感器信号的可变输出电压的压电元件，或者是运行以产生作为传感器信号的可变电阻 的压敏电阻元件。压敏元件106的直径大于本体48的外径，以便该压电元件能够在本体48 上安装就位进行组装，并且该压电元件的尺寸确定为在压敏传感器组件102的制造和运行 期间它不与本体48接触，因此避免了由于与压敏元件106的运动有关的摩擦造成的损失。 压敏元件106的内径和外径以适当方式与下电极接头104共同确定，以使压敏元件106的 下表面可以搁靠在下电极接头104的上表面上。同样的直径关系适用于压敏元件106的上 表面与上电极接头108的下表面之间的接触。在一实施方式例中，压敏元件106的外径约 为0.708英寸(17.983mm)。在所指出的实施方式例中，压敏传感器106的宽度(沿直径) 约为0.069英寸(1.753mm)，厚度约为0.079英寸(2.007mm)。压敏元件106可以由任何适 当的压电材料或压敏电阻材料形成。在所示的实施方式例中，压敏元件106是由压电陶瓷 形成的压电元件。压电陶瓷可以包括钛酸盐、铌酸盐、钽酸盐、钨酸盐或石英。上电极接头108具有呈L形环的结构，其内径大于本体48的外径，以使上电极接 头108能够在本体48上安装就位而组装。内径的尺寸确定成使其与本体48外表面保持隔 开并电绝缘。上电极接头108的外径的尺寸以适当方式与压敏元件106共同确定，以使上电 极接头108的下表面能覆盖压敏元件106的上表面。在所指出的实施方式例中，上电极接 头108的外径约为0. 708英寸(17. 983mm)。上电极接头108的宽度(按直径)约为0. 069 英寸(1. 753mm)，L形分支的高度约为0. 070英寸(1. 778mm)。上电极接头108的厚度约为 0. 008英寸(0. 203mm)。上电极接头108可以由任何适当导电材料形成，包括许多纯金属和 合金。但是，优选上电极接头108由它的性能例如电性能不容易在发动机运行环境下降低 的导电材料形成，这些性能包括已知的如在这些环境下发生的高温氧化和高温腐蚀过程的 耐受性。在所指出的实施方式例中，上电极接头108由黄铜制成。上电极接头108的下表 面承靠在压敏元件106的上表面上，并且下表面同时构成用于压敏元件106的机械座和电 接触。通过上电极接头108，实现与压敏传感器组件102的电接触以传输在组件出口输出的 电信号，从而有利地实现了与信号线(未示出)的适当电接触。可以使用任何适当形式的 电接触，如有管套的同轴电缆。绝缘体110呈有倒角的柱形环或柱形盘的形式。尽管许多形状的横截面都被视为 是可以的，但绝缘体110可具有总体为矩形的横截面，其中包括正方形横截面，并具有平的 下表面和突起的上表面，或者被至少一倒角114截断的上表面。在其为矩形的情况下，其还 可在矩形的一个或多个角处具有小倒角或小倒圆(ray0n)116。绝缘体110可以由作用是 使上电极接头108和压敏元件106电绝缘的任何电绝缘材料制成。绝缘体110还是传递上 电极接头108和压敏元件106中的机械能的机械启动器，它有利地由在发动机运行温度下 特别在压缩下具有高弹性模量的材料如陶瓷形成。绝缘体110的直径大于本体48的外径， 以使绝缘体110可以组装就位在本体48上，并且绝缘体的尺寸确定使得在压敏传感器组件 102的制造和运行过程中它不与本体48接触，因此避免了与绝缘体110的运动有关的摩擦 导致的损失。绝缘体110的内径和外径的尺寸以适当方式与上电极接头108共同确定，以 使绝缘体110的下表面能搁靠在上电极接头108的上表面上，同时适配合在上电极接头108的L形分支中。在一实施方式例中，绝缘体110的外径约为0. 690英寸(17. 526mm)。在所 示的实施方式例中，绝缘体110的宽度(沿直径)约为0. 06英寸(1.52mm)，厚度约为0. 066 英寸(1.676mm)。高度足够大，以建立上电极接头108的L形分支相对于上套筒112的电绝 缘和机械隔离。绝缘体110可由任何适当的介电材料形成。在所示实施方式例中，绝缘体 110由以氧化铝为基础的陶瓷形成，如同用于绝缘体12的陶瓷。倒角114的作用是控制从 上套筒112经过绝缘体110轴向施加在压敏元件106中的压缩力。倒角114能以减小的表 面积、甚至以线性力接触118的方式，改变穿过绝缘体110整个上表面的力施加。通过改变 倒角的数量、倒角的长度和它们的角度，可以保证线性接触，并且可使力线118的轴线向内 或向外偏移。由于把接触限制为线性接触，因而可减小与传感器元件相关的径向力的施加， 其中包括与元件之间的热膨胀差有关的力。另外，可通过力施加位置以及所施加的力的幅 度，更准确地控制轴向力的施加。通过减小接触表面面积，还减少了穿过所述表面施加给相 关组成件的力的均勻性的缺乏。上套筒112支靠着本体48的外表面，并焊接在该外表面上。在从上套筒112施加 于绝缘体110上表面的压力所导致的压缩预应力作用下，压敏传感器组件102的元件物理 接触。上套筒112焊接在本体上则使预应力固定。上套筒112呈柱形环的形式，其内径大 于本体48的外径，以使上套筒112能被组装就位在本体48上。上套筒包括向内延伸的对 齐唇边120。唇边处的直径略小于本体的外径，以便形成轻微锁紧并有助于上套筒112的 同心对齐。上套筒112的柱形环形状具有变薄区部122，变薄区部122由于在套筒中间区 段的内径上实施扩孔124而被减薄。扩孔124可以具有任何适当廓形。在所示的实施方式 例中，扩孔124的截面为梯形状。由于变薄区段122包括在上套筒112中，因而增加了上套 筒112的柔韧性，因此使上套筒112具有与弹簧特征相类似的径向反应特征。参照图1，上 套筒112的外表面包括火花塞的适当的固定构型126，例如六边形或双六边形。该构型的尺 寸大小有利地与用于相关火花塞应用的工业中的标准工具的尺寸大小一致。某些应用显然 可以借助于六边形以外的工具接纳界面如用于接纳钳具扳手的缝隙，或其他构形如在竞赛 汽车火花塞和其它的应用中与在其它环境中已知的其它构形。上套筒112还可包括能用于 固定电缆和信号连接器(均未示出)的爪113，电缆和信号连接器用于把压电传感器102的 输出信号传输给信号处理装置，如发动机控制装置或其它发动机诊断装置。作为变型，上套 筒112也可实施成没有爪113。在所示的实施方式例中，上套筒112的高度约为0. 320英寸 (8. 128mm)。由于铣削成的六边形形状，因而套筒的厚度是变化的，其中包括变薄部分122 的厚度，但是在相应于六边形尖端的最厚区段中，厚度约为0.080英寸(2.032mm)。梯形的 扩孔124的宽度约为0. 100-0. 132英寸(2. 54-3. 353mm)，深度约为0. 032英寸(0. 813mm)。 上套筒112可以由任何适当材料形成，其中包括各种质量的钢和包层钢。但是，优选上套筒 112由热膨胀系数小于钢的热膨胀系数、并尽可能接近绝缘体的陶瓷材料的热膨胀系数的 材料形成，如可伐合金材料(Kovar)，这种材料在发动机运行环境中还具有改进的性能，其 中包括对如在这些环境中发生的已知的高温下的氧化和腐蚀过程的耐受性。Kovar是具有 标准组分的镍-钴-铁合金，其重量组分约为29 %的Ni、17 %的Co、0. 30 %的Mn、0. 20 %的 Si和0.02%的C，其余由Fe构成。在所示的实施方式例中，上套筒112由Kovar制成。上 套筒112的下表面支靠在绝缘体110的上表面上，并构成绝缘体110用的机械座。如图3和6所示并如这里描述的，压敏传感器组件的元件组装在本体上。它们承受大约360磅(1600N)的压缩预应力，然后通过激光将上套筒112焊接在本体48上，以固 定组装预应力。在内燃发动机中带有内置压力传感器100的火花塞10的运行期间，燃料和 空气的混合物每次燃烧时，膨胀的燃烧气体的压力趋向于从电极间隙区88轴向向外推动 绝缘体12。这使绝缘体12支靠着在回折部44中的壳体14，并导致与压敏传感器组件102 相对的本体48的周期性拉伸弹性变形。壳体14在燃烧阶段的这种拉伸式弹性拉长还周期 性地减小了压敏传感器组件102的组装预应力，并产生与燃烧气体所施加的压力有关的电 信号，并且该电信号可通过上电极接头108被输出。如上面描述和图9所示的，具有内置燃烧传感器的现有技术火花塞的设计全都使 用火花塞柱和联接杆的传统布置，以致联接杆延伸在绝缘体柱之上。这些设计没有把重点 放在控制火花塞上部分、特别是位于衬垫座74之上的部分的摆动质量上。申请人观察到， 在火花塞和发动机运行期间，在火花塞10上部分具有更高摆动质量的设计承受火花塞10 该部分的增加的径向振荡。该径向振荡对压敏传感器组件的运行有负面作用，减小了输出 信号的信噪比。尽管可以过滤或减缓传感器的输出信号，但是这一般会导致传感器回应的 传输频带的减小。例如，在现有技术的装置中使用在IOkHz的阻除过滤器消除了它们作为 爆裂(cliquetis)传感器的效用，因为这类传感器一般在大约13kHz的区域运行。相反，本 发明具有改进的运行输出频带，该频带在约0. 5-20kHz之间，从而拓宽并改善了传感器的 效用，其中由于绝缘体柱缩短并且由于取消了延伸到绝缘体柱之上以及中心通道26上部 分中的联接杆，因而本发明具有较小摆动质量和增加了的抗电弧能力(在柱22表面上的不 希望的放电)。与图9所示的设计相比，本发明还具有改进的热反应。该改进的热反应与和 传感器元件热膨胀有关的减小的输出信号偏移相关联。对上套筒112使用Kovar、以及上套 筒112的设计成其包括变薄区段122，如同绝缘体110的形状那样，都被认为是压敏传感器 组件102的热反应改进的原因。本发明的火花塞的陶瓷上端部和上突肩明显缩短，这使组件加固并减小火花塞上 部分的摆动质量。本发明另外使用高压内端子(中心通道26)，以便进一步减小该区域中的 摆动质量。减小绝缘体的高度也可以缩短壳体，特别是在本体48的区域中，因此加固壳体 14并增加它的抗弯强度。上套筒112中的薄区段122的使用，允许在上套筒112中引入一 弯曲元件，这便于缓解由于发动机进行的作业导致的穿过压敏传感器组件102其余部分的 残余振动。压敏传感器组件102的元件的布置和它们的设计还有利于减小传感器元件的堆 积高度，并附带减小在衬垫座74之上的火花塞高度。与现有技术设计(图9)相比，对上套 筒112(KoVar)和绝缘体110(陶瓷)使用热膨胀系数小的材料、并通过消除并加固组成件 来减小传感器堆积高度，两者都使传感器元件的有效热堆积的总高度最小化，同时减小热 偏移的倾向。将弯曲元件引入到上套筒112中，也可通过允许套筒弯曲来适应组装过程中的一 定对齐缺陷。引入与上套筒112建立线性接触的绝缘体110，也可以调适组装过程中的一定 对齐缺陷，并保证在传感器上施加纯轴向的负荷，同时保证轴向负荷正确地分布在传感器 表面上。压敏传感器组件102的元件可以设计成具有相同外径，以使它们能够在组装期间 在分开的对齐安装中被装载，以便保证它们的内径对齐和同心度，并保证在施加预应力和 将压敏传感器组件102焊接在本体48上之前在这些元件与本体48之间没有互相干扰。当然可在不超出本发明的范围内对所描述和示出的装置进行许多改变。
权利要求
火花塞，其包括中心电极组件(16)，其在一端部包括联接杆(40)，而在相对端部包括具有放电表面的中心电极(84)；绝缘体(12)，其总体上呈管形并围绕所述中心电极组件(16)；和壳体(14)，其围绕所述绝缘体(12)并且具有在第一端部上的回折部(44)、具有外表面的本体(48)和在所述本体的衬垫凸缘(74)上的本体突肩(78)、螺纹部分(70)和接地电极(18)；其特征在于所述火花塞另外包括压敏传感器组件(102)，其在所述本体的外表面附近位于所述本体突肩(78)上，并且包括下电极接头(104)、压敏元件(106)、上电极接头(108)、具有包括至少一倒角(116)的上表面的绝缘体(110)、和固定于所述本体的上套筒(112)。
2.如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述压敏元件(106)在压电元件和压敏电 阻元件的组类中选择。
3.如权利要求2所述的火花塞，其特征在于，所述压敏元件为压电元件。
4.如权利要求3所述的火花塞，其特征在于，所述压电元件包括压电陶瓷。
5.如权利要求1至4中任一项所述的火花塞，其特征在于，至少一倒角(116)用于建立 所述上套筒(112)的下表面与所述绝缘体(110)的上表面之间的轴向的力接触线。
6.如权利要求5所述的火花塞，其特征在于，所述至少一倒角(116)具有倒角长度和倒 角角度；并且，所述轴向的力接触线的沿所述绝缘体的上表面的位置取决于所述倒角长度 和/或所述倒角角度。
7.如权利要求1至6中任一项所述的火花塞，其特征在于，所述上电极接头(108)具有 为L形的横截面。
8.如权利要求1至7中任一项所述的火花塞，其特征在于，所述上套筒(112)包括位于 所述上套筒的内径上的扩孔(124)。
9.如权利要求8所述的火花塞，其特征在于，所述扩孔(124)位于所述上套筒(112)的 中间区段内。
10.如权利要求9所述的火花塞，其特征在于，所述扩孔(124)的横截面形状为梯形。
11.如权利要求1至10中任一项所述的火花塞，其特征在于，所述压敏传感器组件 (102)的有效运行频率高达20kHz左右。
12.火花塞，其包括中心电极组件(16)，其在一端部包括联接杆(40)，而在相对端部包括具有放电表面的 中心电极(84)；绝缘体(12)，其总体上呈管形并围绕所述中心电极组件(16)；和壳体(14)，其围绕所述绝缘体(12)并且具有在第一端部上的回折部(44)、具有外表面 的本体(48)和在所述本体的衬垫凸缘(74)上的本体突肩(78)、螺纹部分(70)和接地电极 (18)；其特征在于所述火花塞另外包括压敏传感器组件(102)，其在所述本体的外表面附近位于所述本体突肩(78)上，并 且包括下电极接头(104)、压敏元件(106)、上电极接头(108)、具有突起上表面的绝缘体(110)和固定于所述本体的上套筒(112)。
13.如权利要求12所述的火花塞，其特征在于，所述压敏元件(106)在压电元件和压敏 电阻元件的组类中选择。
14.如权利要求12所述的火花塞，其特征在于，所述压敏元件为压电元件。
15.如权利要求14所述的火花塞，其特征在于，所述压电元件包括云母。
16.如权利要求12至15中任一项所述的火花塞，其特征在于，所述突起上表面用于在 所述上套筒(112)的下表面与所述绝缘体(110)的上表面之间建立轴向线性的力接触。
17.如权利要求12至16中任一项所述的火花塞，其特征在于，所述上电极接头具有为 L形的横截面。
18.如权利要求12至17中任一项所述的火花塞，其特征在于，所述上套筒(112)具有 位于所述上套筒(112)的内径上的扩孔(124)。
19.如权利要求18所述的火花塞，其特征在于，所述扩孔(124)位于所述上套筒(112) 的中间区段内。
20.如权利要求19所述的火花塞，其特征在于，所述扩孔(124)的横截面形状为梯形。
21.如权利要求12至20中任一项所述的火花塞，其特征在于，所述压敏传感器组件 (102)的有效运行频率高达约20kHz。
22.如权利要求12至21中任一项所述的火花塞，其特征在于，所述壳体(14)具有 在所述本体的下表面上的柱座，并且所述绝缘体的在所述柱座之上的长度为1. 13英寸 (28. 70mm)或更小。
23.火花塞的实施方法，其特征在于，该方法包括以下步骤形成火花塞(10)，该火花塞包括中心电极组件(16)，其在一端部包括联接杆(40)而 在相反端部包括具有放电表面的中心电极(84)；围绕所述中心电极组件(16)的总体为管 形的绝缘体(12)；和围绕所述绝缘体(12)的壳体(14)，该壳体具有在第一端部的回折部 (44)、具有外表面的本体(48)和在所述本体的衬垫凸缘(74)上的本体突肩(78)、螺纹部分 (70)和接地电极(18)；将压敏传感器组件(102)引入到所述本体的外表面附近在所述本体突肩上，该压敏传 感器组件包括下电极接头(104)、压敏元件(106)、上电极接头(108)、具有突起上表面的绝 缘体(110)和上套筒(112)；对所述压敏传感器组件施加压缩预应力以使之支靠于所述本体突肩；和将所述上套筒固定于所述本体，以固定所述压敏传感器组件(102)的预应力。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，该方法另外包括这样的步骤形成带有突 起上表面或倒角上表面的压敏元件，以便所述上表面具有沿线性的力接触支靠于所述上套 筒(112)的功能。
25.如权利要求23或24所述的方法，其特征在于，该方法另外包括形成在所述上套筒 的内径上具有扩孔(124)的所述上套筒(112)。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，该方法另外包括形成所述扩孔(124)，以 使该扩孔具有梯形状的截面。
全文摘要
本发明涉及包括内置燃烧传感器的火花塞(10)。该火花塞包括中心电极组件(16)，其在一端部具有联接杆(40)而在相对端部包括具有放电表面的中心电极(84)；围绕它的整体管形的绝缘体(12)；围绕绝缘体(12)的壳体(14)，其具有本体和位于本体上的压敏传感器组件，组件包括电极接头、压电或压敏电阻元件、绝缘体和固定在本体上的上套筒。应用领域内燃发动机等。
文档编号F02P13/00GK101932922SQ200880120016
公开日2010年12月29日 申请日期2008年10月29日 优先权日2007年10月29日
发明者B·莱诺雷, J·A·伯罗斯, J·哈格, P·廷韦尔, R·克拉克 申请人:大陆汽车法国公司;辉门意大利有限责任公司