专利名称：具有多级中心导线组件的火花塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如火花塞和点火器一类的点火装置，特别地，涉及具有一种使用了玻璃密封的中心导线组件的点火装置。
背景技术：
火花塞和其他类似的用于内燃机的点火装置，承受着燃烧室内所产生的高温环境。高温环境通常会损害火花塞的不同组件，长时间如此，会降低火花塞的性能。负面影响火花塞的性能的一种方式包括影响中心导线组件的电导率，此组件是用来将电点火脉冲从火花塞的输入端传送到它的火花间隙。材料的腐蚀、损耗和极端高温造成的其他情况，会对这些组件的导电性产生不良影响，进而改变点火脉冲和最终传输到燃烧室的火花的强度。这种影响对使用了电阻噪音抑制(resistive noise suppression)来减少电磁干扰的火花塞尤其明显。
电阻噪音抑制器在火花塞中所起的作用是众所周知的。噪音抑制器中一种常用的形式是片式电阻器。一个较早的片式电阻器的实例可以参见Somers等人公开的2,846,849号美国专利。该专利中的火花塞包含一种中心导线组件(从火花间隙沿着轴向向上直到点火导线插座)，此中心导线组件中有一个中心电极，一个导电玻璃密封，一个金属接触器，一个片式电阻元件，一个接触弹簧和一个有螺纹的接触盖。导电玻璃密封(conductive glss seal)是一种烧制的导电密封(fired in conductive seal)(FICS)，在放电能量通过玻璃密封传导的同时，此导电玻璃密封还提供了气密密封。
另一种已知的火花塞噪音抑制器是一种电阻玻璃密封(resistive glassseal)，常作为导电玻璃密封的补充或者代替品，在绝缘子的中心孔内提供气密密封，同时作为火花放电能量的阻力路径以减少电干扰。这种电阻玻璃密封是一种烧制的仰制密封((fired in suppressive seal)(FISS)，它同时具备了导电玻璃密封和片式电阻器各自的优点。但是，与许多组件一样，缺点往往随优点一起出现。在某些高温环境中，例如天然气发动机或者F1发动机(Formula One engines)中，其中心导线组件的温度可能会超过700F，噪音抑制玻璃密封可能会呈现因操作温度的升高而随时间升高的电阻，甚至可以达到电路断路点。
因而，提供一个用于火花塞中的改良的中心导线组件，使其利用噪音抑制玻璃密封对玻璃密封提供针对燃烧室高温环境的保护，是很有好处的。
发明内容
上述现有技术中的中心导线组件的缺陷，被本发明中具有点火装置和包括第一/第二/第三电极元件，一个导电密封和一个噪音抑制密封的中心导线组件克服了。第一电极元件位于中心导线组件靠近火花间隙的轴向末端，第三电极元件位于中心导线组件的轴向顶端，这样它能接收电点火脉冲，第二电极元件轴向位于第一和第三电极元件之间。此外，导电密封轴向位于第一和第二电极元件之间，噪音抑制密封轴向位于第二和第三电极元件之间。此中心导线组件可以用在火花塞、点火器或者其他的点火装置，这些点火装置典型的包含能放置中心导线组件的绝缘子和至少套住一部分绝缘子的金属外壳。
优选地，中心导线组件包括三个电极元件一个点火电极、一个中间电极和一个端电极。导电密封可以是一个FICS，如导电玻璃密封。噪音抑制密封可以是FISS，如电阻玻璃密封。将导电密封放在点火装置的终端的上方，通过较低的导电玻璃密封，可以在某种程度上把发动机产生的热量隔离开。
本发明同时提供了制作用于火花塞的中心导线组件的方法。此方法包含以下步骤，但不一定必须按照此顺序施行将点火电极插入绝缘子的轴向中心孔中；将导电玻璃粉放入点火电极上方的轴向中心孔中；将中间电极插入轴向中心孔中，使得导电玻璃粉介于中间电极和点火电极之间，并同时和两个电极触接；燃烧所述导电玻璃粉，从而在点火电极和中间电极之间形成一个导电密封；将具有电阻的(resistive)玻璃粉放入中间电极上方的轴向中心孔中；将端电极插入轴向中心孔中，使具有电阻的玻璃粉介于中间电极和端电极之间，并同时触接中间电极和端电极；燃烧所述具有电阻的玻璃粉，从而在端电极和中间电极之间形成一个噪音抑制密封。更好的是，执行此操作时，采用分别燃烧导电玻璃粉和具有电阻的玻璃粉的步骤，在两个步骤中形成两个密封。
通过说明书、权利要求书的描述，并结合优选实施例中火花塞和中心导线组件的局部剖视图，可以很容易地理解本发明中火花塞中心导线组件的优点和特征。
具体实施例方式
下面结合
并讨论的火花塞和中心导线组件主要设计用于内燃机，和用于将噪音抑制密封和火花间隙附近产生的热量隔离开。通过将点火电极、导电密封和中间电极置于噪音抑制密封和火花间隙之间，中心导线组件能够利用噪音抑制密封的噪音抑制特性，将此噪音抑制密封和燃烧过程中产生的高温隔离开。尽管各种火花塞的组件的实施例，例如材料的组成，在下面的描述中会被讨论，要指出的是，这仅仅是出于举例的目的，可以使用现有技术中适当的替代物。
如图所示，图中展示了一个用于标准的轿车发动机或高性能(如F1)发动机上的火花塞10。本发明的点火装置可以用于其他类型的内燃机，包括天然气发动机和涡轮发动机。火花塞10主要包括一个外壳12，绝缘子14，接地电极16和中心导线组件18。如本领域所公知的，外壳12是一个圆筒型的金属元件，其内开有贯穿整个轴向长度的纵向孔30。根据本实施例，纵向孔30的内径是不一致的，这样在内孔中具有不同直径的交界处形成了内部台肩32和34。台肩32和34是内部的环形边缘，用于支撑绝缘子14中与之形状匹配的凸肩部位。外壳12还有一个形成于其外表面的安装形状36，例如六角型。这种形状使人能够很容易的安装火花塞10到气缸盖上，或者其他要用的地方。外壳的形状和尺寸在具体的使用中可以有很大差别，但是其设计要稳固地安置下面将要讨论的绝缘子14。
和外壳一样，绝缘子14也通常是圆筒型零件，有一贯穿其整个轴向长度的长型纵向内孔50。正如其名，绝缘子14主要由绝缘材料制成，用于将中心导线组件与导电外壳12以及周围环境中其他的零件电隔离。绝缘子的外表面应当匹配外壳12的纵向内孔30。绝缘子14包含了一对外部凸肩52和54，其中至少一个凸肩的尺寸是依据外壳12内部的台肩32和34设计的，以防止绝缘子沿着轴向向下运动。密封件，如圆柱型密封件56或者环形密封件58，用来在绝缘子的外侧和外壳内侧之间提供额外的密封。同外壳的内孔30一样，绝缘子的中心孔50也有一对内部的台肩60和62，这些台肩用以支撑中心导线组件18中与之形状匹配的凸肩部位，它们可以位于中心孔50的轴向上的不同位置。
接地电极16是L形的金属元件，它和外壳12的最低轴端机械地和电气地连接在一起。接地电极可以熔焊、钎焊或者以其他目前已有的技术连接在外壳上。接地电极16置于靠近中心导线组件的最低轴端处，以形成一个火花间隙。应该注意的是，接地电极可以不限于图示而具有不同的形状并包含不同的贵金属嵌芯，用以减少腐蚀和烧损，从这点讲，制造和组装金属外壳12、绝缘子14和接地电极16都可以(但不一定必然)按常规进行。
中心导线组件18是一个导电元件的成套组件，用于把高压电气点火脉冲从终端70传送到燃烧端72，在此点，脉冲击穿火花间隙启动了燃烧过程。中心导线组件18包含(从燃烧端72开始至终端70)点火电极74，导电密封76，中间电极78，噪音抑制密封80和端电极82。点火电极74是从绝缘子14的最低轴端伸出的一个金属电极，如本领域所公知的，它和接地电极16之间形成了火花间隙。该点火电极的组成成分很大程度上取决于它的具体应用领域。例如，已知的，用在需要其向上穿过中心导线组件传递热量并离开火花间隙时，可以选用铜芯镍电极。在需要小直径点火电极的应用中，铜芯不能满足要求，此时可以选用实芯镍电极。在此优选实施例中，点火电极包括一个点火端84，一个杆部86和一个扩大的头部88。点火端84是点火电极的最低的部位，为了提供额外的对侵蚀和烧损的防护，点火端84可以包含一种贵金属，例如铂、铱、钯或者其中这些金属的合金。从此点火端出发，高压点火脉冲击穿火花间隙到临近的接地电极16。从点火端84顺着轴向向上是杆部86，这是一个细长形状的部件，将点火端84和扩大的头部88连接起来。扩大的头部的直径大于相邻的杆部，这样便形成了一个和绝缘子的内部台肩60匹配的外部凸肩90。扩大的头部的最上面的表面用来连接导电密封76，其可以根据各种不同的构造进行设计，包括平面形状、凹陷形状、凸起形状或者开槽或者中间凸起，以保证与导电密封76良好的连接和接触。
导电密封76是一个可以导电的密封，用来连接位于较低轴端64的点火电极74和位于较高轴端66的中间电极78。优选地，导电密封是由一种含有金属的玻璃粉料组成，如通过高温熔融在一起的铜/玻璃混和粉。该含有金属的粉末首先被放入中心孔50，然后压紧到所需的密集度，最后烧制，这将在下面进行更详尽的阐述。此类型的导电密封在现有技术中是众所周知的，有时称为烧制的导电密封(FICS)。此密封的轴向长度依据具体的火花塞的设计而变化，然而，需要注意的是，当轴向长度超过了一定的数值时，压紧导电密封时可能会出现一些困难。导电密封就位后，将中间电极78插入中心孔50，这样它和导电密封上轴端66连接起来。
中间电极78是一种金属电极，形状和点火电极74相似，有一个较低轴端20，杆部22和一个扩大的头部24。如同点火电极一样，基于具体应用，中间电极可以由多种材料制成。较低轴端20既可以是平坦的也可以是波纹表面，在生产过程中可以用它来压实导电密封76的玻璃粉末。同时，如图所示，在较低轴端20处，杆部22有一个缩小的直径段28，使得在烧制导电密封的过程中，有一定数量的导电密封76的玻璃粉末向上流动并包围电极。杆部22是一个从较低轴端20延伸到扩大的头部24的长型物。同样的，扩大的头部的直径大于相邻的杆部，因而，形成了一个外部凸肩26，此凸肩搁置在绝缘子的内部台肩62上。扩大的头部的最上头的表面用于接合噪音抑制密封80，其可以用类似点火电极74上表面的方式制成许多不同的表面形状。
噪音抑制密封80是一个导电的，抑制噪音的密封，用于接合位于较低轴端68的中间电极78和位于较高轴端92的端电极82。优选地，如现有技术中所知，噪音抑制密封由三个具有已知电阻特性的粉末段组成，用来最小化火花塞里发出的噪音。第一个粉末段94是一种导电玻璃粉，例如前面讨论的用于导电密封76中的粉末；第二个粉末段96包含一种具有电阻的粉末材料，较好的是具有已知电阻的碳基玻璃料；第三个粉末段98可以由相同或者不同于第一粉末段的导电玻璃粉组成。用于形成噪音抑制密封80的玻璃粉末先被放进中间电极上方的中心孔50中，然后用预先计算过的力度将其压实，最后将粉末烧制熔融，保证此密封能稳定的就位。噪音抑制密封有时指烧制的仰制密封(FISS)。更进一步，此密封的轴向长度可以随着特别是所使用的火花塞的设计和所需要的噪音抑制而变化。需要注意的是，这里展示的三段式FISS仅仅是可能用到的合适的噪音抑制密封的一个实例。也可以使用其他的有更多、更少的或者不同的节段的噪音抑制密封，只要此组件能够满足抑制噪音的要求。从这点上讲，电感(inductive)类或者其他的噪音抑制材料可以替代电阻类抑制材料。
端电极82是一个细长的金属元件，它有一个接线头端子用于连接点火导线，因此它可以引入一个高压点火脉冲到相邻的噪音抑制密封。和其他电极元件一样，端电极可以由多种不同的材料制成，这取决于它的具体用途。通常优选的是10/18号合金钢。此处所示的具体的端电极由一个较低轴端40，一个细长杆部42和一个接线头端子44组成。较低轴端40的直径比相邻的杆部42稍微小一些，这样在端电极的外表面和内孔50的内表面之间形成了一个小的间隙。此间隙中的端电极的外表面形成一个表面形状46，如肋片、螺纹、凹痕等。中间电极78也可以形成同样的表面形状。烧制过程中，端电极82被挤向熔融状态的所述仰制密封，使得一些融化了的密封材料被向上挤进这个位于绝缘子和端电极之间的间隙。该仰制密封材料粘接端电极，而表面形状46提供了一个较好的粘接表面。同样的方法可以用于中间电极粘合进噪音抑制密封中，以及中间电极和点火电极中的一个或两个与导电密封76的粘接。在杆部42之上的接线头端子44有较大的直径，其形状匹配点火导线(图中未示)的引出罩(electrical boot)。杆部和接线头端子的过渡形成了一个凸肩48，它被搁在绝缘子的轴向的最高点，这样端电极可以保证不会滑入中心孔。接线头端子可以制成多种形状，这取决于具体的点火导线和用途。
本发明的制作方法初步的讲解了组装中心导线组件18的过程，故下面的描述将主要集中于火花塞整体组装的部分。根据优选实施例，组装火花塞10主要包含以下步骤制作含有中心孔50的绝缘子14；从具有电极74的燃烧端、导电密封76、中间电极78开始，到具有噪音抑制密封80和端电极82处的终端结束来制作中心导线组件18；紧接着把绝缘子14和中心导线组件18装进事先和接地电极16组装好的金属外壳12内。
绝缘子14和它的分级的中心孔50可以使用现有技术中较方便的技术制作。类似的，三个电极74、78和82也用相关的技术在组装前预先制作好。组装中心导线组件18时，点火电极74首先从它的顶部轴端插入中心孔50，使它的扩大的头部88接触并搁置在绝缘子内部的台肩60上。这样的配置将点火端84固定在了相对绝缘子本体预先确定的轴向位置。一旦点火电极就位，加入用于制作导电密封76的导电玻璃粉末到中心孔内。玻璃粉可以一次性全部加入或者分批加入。若是一次性加入，可能需要用长棍形的压实工具将导电玻璃粉压实一次到几次。如果分批加入，可以在每次加入玻璃粉之间压实一次。无论哪种方式，导电密封最好用一个预定的力度压实，以获得所需的玻璃粉压紧度。在某些应用中，或许最好省略掉所有的压实程序。完成了上述的程序，将中间电极78插入中心孔50，使其接触到玻璃粉的最上面部分。
因为导电密封还需要烧制并被熔化，它比烧制过程后占用了更大的空间。因此，此时中间电极的扩大的头部24还没有接触到内部台肩62。一旦中间电极就位了，它将承受一定量的轴向向下的压力，整个组件将进行一个加热烧制的过程。在导电密封被烧制时，比较合适的温度是1500-1700，导电密封开始被熔化，并固定在中心孔内。这使得承受着一定向下力的中间电极能紧压熔融的粉末，直到扩大的头部24被固定在内部台肩62上。作为导电密封装置，它牢牢地粘接着中间电极和点火电极。
噪音抑制密封80的制作过程和导电密封76十分相似。首先把用于制作噪音抑制密封80的具有电阻的玻璃粉从绝缘子的较上轴端放入中心孔50，接着用一个预定的力压实，最后烧制。同样的，玻璃粉可以一次性加入或者分多次加入，每次加入之间有一个压实的步骤。在图示的实施例中，此密封80由导电玻璃两部分之间夹着的具电阻性的玻璃制成。这种结构中，先放入第一部分的导电玻璃粉末，压实，接着是放入具有电阻的玻璃粉末，压实，然后是另一部分的导电玻璃粉末，同样的要向下压实。接着，将端电极82放入中心孔50。如前所述，被压实的玻璃粉占用的空间，使端电极不能完全的向下推入中心孔。随着将凸肩48轻轻的放在绝缘子最高轴端，把整个绝缘子和中心导线组件再一次放进烤炉，将玻璃粉熔化，制成导电密封80。向端电极施加一个预定的轴向向下力，这样当玻璃粉熔化时，端电极会被向下推动，直至凸肩48准确地落在绝缘子上。同时，被端电极的向下运动压迫的处于熔化状态下的噪音抑制密封80，被挤进位于端电极和中心孔50之间的间隙中，这样此密封和表面形状46接合起来。任何已知的玻璃粉可以用于密封76和80，根据具体运用的需要，通过使用已知的混和组分和在粉末中添加剂的百分含量，可以选择密封的电阻特性或者其他的噪音抑制特性。
一旦中心导线组件18完成了，便可以将绝缘子装上金属外壳12。此外壳的轴端下部首先已经和接地电极16通过焊接、钎接或者其他合适的形式连接在一起。或者，接地电极可以在组装火花塞的晚一些时候装到外壳上。绝缘子14从轴端上部被放进外壳12的纵向孔30，使绝缘子外部的凸肩52和54分别靠接在外壳内部的台肩32和34上。值得注意的是，其他类型的密封元件，如环形密封58可以放置在外壳和绝缘子的台肩之间，这有助于两个元件的相互密封连接。一旦绝缘子就位，密封元件56被加入位于绝缘子外表面和纵向中心孔30内表面之间的空间内。接着，将外壳最高点的圆周边缘弯曲或者其他的向内放射状地机械变形，使它紧贴绝缘子，使绝缘子和外壳牢牢的靠接在一起，并且保持密封元件56到位。
显然，根据本发明，提供了一种能实现本发明目的和达到效果的火花塞中心导线组件及其制作方法。应当这样理解，前面的描述仅是本发明的优选实施例，但非将本发明限定为所展示的具体实施例。例如，这儿提到的点火装置和中心导线组件的概念可以用于汽车、航空和其他这里没有提到的需要用到内燃机的场合。相应的，这些应用所需要的修改，对本领域技术人员都是显而易见的。其中一种修改可能涉及到端电极。大部分的飞机点火应用中，接线头端子44可以用端电极替代，或者保持在中心孔50内接触。这种设计中，点火导线作为公组件，同样可以插入中心孔，使其与作为母组件的端电极机械和电气地接合。这种结构可以来代替图示设计，即点火导线有一个匹配接线头端子的罩子而仍留在中心孔外部的设计。同样的，和前述的组装过程相关的具体步骤、连接顺序也可以改变。例如，制作导电密封76的玻璃粉不一定要在噪音抑制密封80之前先烧制成形，甚至，玻璃粉可以加入、压实并用一个烧制过程同时制成两个密封。另外，为了烧制密封，中间电极、端电极可以被加热并分别和导电密封、噪音抑制密封相触接。除了前面提到的，其他改动和修正，本本领域技术人员都是显而易见的，并且所有这样的改动和修正都在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种用于火花塞的中心导线组件，包括一个用于形成火花间隙部分的第一电极部件；一个第二电极部件；一个用于接收电点火脉冲的第三电极部件，其中，所述的电极部件串联在一起，所述第二电极部件位于第一和第三电极部件之间；一个导电密封，轴向位于所述的第一和第二电极部件之间；一个噪音抑制密封，轴向位于所述的第二和第三电极部件之间。
2.根据权利要求1所述的中心导线组件，其特征在于，所述的导电密封是烧制的导电密封。
3.根据权利要求2所述的中心导线组件，其特征在于，所述的导电密封是导电玻璃密封。
4.根据权利要求1所述的中心导线组件，其特征在于，所述的噪音抑制密封是一个烧制的噪音抑制密封。
5.根据权利要求4所述的中心导线组件，其特征在于，所述的烧制的噪音抑制密封是一个电阻玻璃密封。
6.根据权利要求1所述的中心导线组件，其特征在于，所述的噪音抑制密封的直径大于所述的导电密封。
7.根据权利要求1所述的中心导线组件，其特征在于，所述的第一电极部件包括一个有扩大的头部的轴端，用来接合绝缘子的内部台肩。
8.根据权利要求1所述的中心导线组件，其特征在于，所述的第二电极部件包括一个有扩大的头部的轴端，用来接合绝缘子的内部的台肩。
9.根据权利要求1所述的中心导线组件，其特征在于，所述的第三电极部件包括一个有表面形状的轴端，用来促进所述第三电极部件和所述噪音抑制密封的粘合。
10.一种点火装置，具有如权利要求1中所述的中心导线组件。
11.一种点火装置，包括具有一个中心孔的绝缘子；一个至少保护了一部分所述的绝缘子的外壳；至少部分被置于所述绝缘子的中心孔内的中心导线组件，所述中心导线组件有一个点火电极、一个中间电极和一个端电极；所述的点火电极和所述的中间电极通过位于中心孔中的导电密封电性连接；所述的中间电极和所述的端电极通过位于中心孔中的噪音抑制密封电性连接。
12.根据权利要求11所述的中心导线组件，其特征在于，所述的导电密封是烧制的导电密封。
13.根据权利要求12所述的中心导线组件，其特征在于，所述的导电密封是一个导电玻璃密封。
14.根据权利要求11所述的中心导线组件，其特征在于，所述的噪音抑制密封是一个烧制的噪音抑制密封。
15.根据权利要求14所述的中心导线组件，其特征在于，所述的烧制的噪音抑制密封是一个电阻玻璃密封。
16.一种点火装置，包括一个有中心孔的绝缘子；一个至少保护了一部分所述绝缘子的外壳；至少部分置于所述绝缘子中心孔内的中心导线组件，所述中心导线组件包括通过导电玻璃密封和电阻玻璃密封连接起来的金属电极元件；所述的电极元件包括一个位于点火装置点火端的点火电极；所述的两个玻璃密封被至少一个所述的电极元件分开，所述电阻玻璃密封比导电玻璃密封距离点火端更远。
17.制作用于火花塞的中心导线组件的方法，包括以下步骤a)将点火电极插入绝缘子的纵向孔中；b)将导电玻璃粉料放入点火电极上方的纵向中心孔中；c)将中间电极插入纵向中心孔中，使得导电玻璃粉介于中间电极和点火电极之间，并和两个电极触接；d)熔化导电玻璃粉，从而在点火电极和中间电极之间形成一个导电密封。e)将具有电阻的玻璃粉放入中间电极上面的纵向中心孔中；f)将端电极放进纵向中心孔中，使具有电阻的玻璃粉介于中间电极和端电极之间；g)熔化具有电阻的玻璃粉，这样便在端电极和中间电极之间形成一个噪音抑制密封。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述步骤d)包含加热绝缘子和中心导线组件，将导电玻璃粉熔化制成所述的导电玻璃密封。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述步骤d)和步骤g)作为两个单独的步骤进行加热操作。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述的步骤e)还包括在加入具有电阻的玻璃粉之前放入第一批导电玻璃粉，放入具有电阻特性玻璃粉之后，再加入第二批导电玻璃粉；所述的步骤g)还包括将第一、第二批导电玻璃粉和具有电阻的玻璃粉一起熔化。
全文摘要
本发明提供了一种火花塞中心导线组件，包括一个能够很好地隔离在火花塞燃烧端产生的热量的噪音抑制导电密封。该中心导线组件包括点火电极、导电玻璃密封、一个中间电极、噪音抑制玻璃密封和一个端电极。通过将所述的点火电极、导电密封和所述的中间电极置于噪音抑制密封和火花间隙之间，该中心导线组件可以应用该噪音抑制密封的噪音抑制特性，将此噪音抑制密封和燃烧过程中产生的高温隔离开。本发明还公开了上述中心导线组件的制作方法，其中两个玻璃密封通过连续的烧制过程形成。
文档编号H01T13/20GK1879271SQ200480032792
公开日2006年12月13日 申请日期2004年9月7日 优先权日2003年11月5日
发明者马克S·麦克默里, 劳伦斯W·吉尔, 托马斯R·诺尔 申请人:费德罗-莫格尔公司