复合火花塞的制作方法

专利名称：复合火花塞的制作方法
复合火花塞
相关申请的交叉引用
本申请要求名称为"复合火花塞"、于2006年3月12日提出的美国临时专利申请系列号60/799,926的优先权及权益，所述申请的说明书在此通过引用而结合进来。
背景技术：
本发明涉及内燃火花点火式发动机中用于点燃燃料的火花塞。现代的火花塞技术可以回溯到1950年代的早期，除了火花隙电极的材料和结构外并未作任何显著的设计改动。为了延长使用年限，己经在设计中采用了这些相对新的电极材料，例如铂和铱，以便缓和对所有火花塞电极来说非常常见的腐蚀问题。虽然这些材料将减少典型的低功率放电(峰值放电电流小于1安培)火花塞的电极腐蚀并能运行所需的109次循环，但是不能承受大功率放电(峰值放电电流大于l安培)的高库仑传送。另外，己经在火花塞上产生更高电容或在已有的火花塞上并联连接电容器方面作了很多努力。但是这将增加火花的放电能量，这种设计是低效、复杂的，并且无法处理与大功率放电有关的加速腐蚀。还没有在模块组件中使用异质材料来产生火花塞的绝缘方面作过任何努力。
美国专利号3,683,232、美国专利号1,148,106和美国专利号4，751，430
中论述使用了电容器或蓄电器以增加火花能量。这些专利中并未公开将确定放电能量的电容器的电尺寸。另外，如果电容器具有足够大的电容量，则点火变压器输出和火花隙之间的电压降可以阻止间隙电离和火花的产生。
美国专利号4,549,114宣称能够通过在火花塞本体中加入辅助间隙而增加主要火花隙的能量。在单个火花塞中使用两个火花隙以便在任何内燃火花点燃式发动机中点燃燃料，其中内燃火花点燃式发动机利用电子处理来控制燃油供给和点火定时，可以证明对发动机的运行是很致命的，这是因为这两个火花隙所发射的EMI/RFI可以使中央处理器产生故障。
在美国专利号5,272,415中，公开了连接在非电阻性火花塞上的电容器。其中并未公开容量，并且没有任何地方提及非电阻性火花塞所产生的电磁和射频干扰，若没有对EMI/RFI发射进行适当的屏蔽，这些干扰会引起中央处理器的关机或甚至引起永久性破坏。
美国专利号5,514,314公开了通过在火花塞正和负电极区域中产生磁场而增加火花尺寸。所述发明还宣称能够制造单片电极、整体式线圈和电容器，但是并未公开产生各种电分量的整体导电通路的电阻率值。电分量导电通路的电阻率值设计为保证合理功能的1.5-1.9欧姆/米。陶瓷墨中固有的陶瓷材料的漂移所引起的任何通路的减少降低了电气装置的效率与性能。此外，也没有提及与单片元件的充电导电通路相对隔离的绝缘介质的截止电压。如果标准陶瓷材料，例如86%氧化铝用作火花塞绝缘体，则介电强度或截止电压为200伏特/密(volts/mil)。内燃火花点燃式发动机中的火花塞的标准工作电压范围为从5Kv到20Kv，在新型汽车点火中可以看到其峰值为40Kv，这将使单片电极、整体式线圈和电容器无法在这个电压能级下绝缘。
美国专利号5,866,972、美国专利号6,533,629和美国专利号6,533,629通过各种方法和装置、电极和/或与由阻碍与火花塞工作有关的磨损的钼、铱或其他的贵金属组成的电极顶端提及了所述申请。这些申请可能不足以阻止与大功率放电有关的电极磨损。由于电极磨损，电离火花隙并产生火花所需的电压升高了。点火变压器或线圈受传递到火花塞的电压数值的限制。加速腐蚀和磨损所引起的火花隙的增加可能大于从变压器中得到的电压，这可以导致不点火和催化变换器的损坏。
美国专利号6,771,009公开了一种防止火花击穿的方法，并且没有解决与电极磨损或火花放电能量增加有关的问题。
美国专利号6,798,125提及将更高温的电阻性镍合金作为基电极材料的使用，在基电极材料上焊接连接了贵金属。主要的宣称是保证焊接完整性的镍基基电极材料。这种组合据说减少了电极腐蚀，但是并未宣称可以
8在大功率放电条件下减少腐蚀或者提高火花能量。
用于火花塞的美国专利号6，819,030宣称能降低接地电极的温度，但是，并未宣称能减少电极腐蚀或提高火花能量。

发明内容
一种用于本发明的内燃机的复合点火装置，包括，正电极，所述正电极具有形成在其端部的顶端，所述顶端粘接到第一绝缘体以形成点火锥体组件。点火装置包括第二绝缘体，所述第二绝缘体包括嵌入其内并附接于点火锥体组件上的负电容性元件。正电容性元件设置在第二绝缘体中，并且通过第二绝缘体与负电容性元件隔离。正电容性元件连接到正电极上。正电容性元件和负电容性元件形成电容器。设置在电阻绝缘体中的电阻通过电阻连接器连接到正电容性元件上。电接插件连接到电阻上并附接于第二绝缘体，壳体附接于第二绝缘体及点火锥体组件，并连接到负电容性元件上。壳体包括负电极，所述负电极具有形成在其上并且与正电极顶端间隔的顶端。
作为备选，第二绝缘体附接于点火锥体组件，并且负电容性元件通过注入成型或通过插入成型嵌入第二绝缘体中。作为备选，第二绝缘体包括工程聚合物。工程聚合物可以为液晶聚合物或聚醚醚酮，并且可以具有大
约5到大约IO之间的介电常数。
作为备选，第一绝缘体包括氧化铝材料。氧化铝材料可以包括大约88%到大约99%的纯氧化铝。作为备选，电阻连接器包括弹簧部件。作为备选，正和负电极顶端包括铼和钩烧结材料。所述材料可以由大约50%的铼和大约50%的钨或大约75%的铼和大约25%的钨制成。作为备选，正电极还包括在其外表面的导电墨水涂层，所述涂层具有预定的厚度。导电墨水可以包括贵金属或贵金属合金。作为备选，电容器具有大约30到大约100皮法(pf)范围内的预定电容量。作为备选，正电容性元件通过过盈配合连接到正电极上。
在另一个实施例中，本发明提供了用于内燃机的点火装置的电路，所述电路包括用于间歇(intermittently)激活所述电路的电源、在其端部具有顶端的正电极和接地的接地电极，所述接地电极的端部具有顶端。接地电极顶端以预定的火花隙与正电极顶端间隔开。所述电路还包括至少一个与电源及正电极串联的电阻，以及至少一个直接连接到所述电阻并与正电极和地并联的电容器。
作为备选，当电路激活时，所述至少一个电阻降低了射频干扰(RFI)。
作为备选，当电路激活时，所述至少一个电容器增加了火花隙的峰值电流。作为备选，正和负电极顶端包括铼和钨烧结材料。所述材料可以由大约
50%的铼和大约50%的钨或大约75%的铼和大约25%的钨制成。作为备选，所述电阻具有大约2千欧姆(kohms)到大约20千欧姆(kohms)范围内的预定电阻值。作为备选，所述电容器具有大约30到大约IOO皮法(pf)范围内的预定电容量。
在另一个实施例中，本发明提供了一种形成用于内燃机的复合点火装置的方法，所述方法包括将包含形成在其上的顶端的正电极与第一绝缘体粘接，以便形成点火锥体组件，将负电容性元件嵌入第二绝缘体并将第二绝缘体连接到点火锥体组件上，以及将正电容性元件连接到第二绝缘体中的正电极上。正电容性元件通过第二绝缘体与负电容性元件隔离，并且正电容性元件和负电容性元件形成电容器。所述方法还包括在电阻绝缘体中设置电阻，将所述电阻通过电阻连接器附接于正电容性元件，将一电接插件附接于所述电阻，将所述电接插件附接于第二绝缘体，将壳体附接于第二绝缘体和点火锥体组件，以及将壳体连接到负电容性元件上。壳体包括具有形成在其上的顶端的负电极，所述负电极顶端与正电极顶端间隔开。
作为备选，所述方法还包括在绝缘体中密封电极的顶部。作为备选，所述方法还包括在将正电极与第一绝缘体粘接之前用导电墨水涂覆正电极。导电墨水可以包括贵金属或贵金属合金。作为备选，将壳体附接于第二绝缘体和点火锥体组件的步骤包括将壳体折向第二绝缘体和点火锥体组件。作为备选，将壳体连接到负电容性元件的步骤包括将壳体折向(crimping)负电容性元件。
作为备选，将正电极与第一绝缘体粘接的步骤包括在预定的温度下加热正电极和第一绝缘体预定时间。所述预定温度可以是大约750摄氏温度到大约900摄氏温度，并且所述预定时间可以是大约10分钟到大约60分钟。作为备选，将负电容性元件嵌入第二绝缘体并将第二绝缘体附接于点火锥体组件的步骤包括注入成型或插入成型。作为备选，第二绝缘体包括工程聚合物。工程聚合物可以包括液晶聚合物或聚醚醚酮
(polyetheretherketone)，并且可以具有大约5到大约10之间的介电常数。
作为备选，第一绝缘体包括氧化铝材料。所述氧化铝材料可以包括大约88%到大约99%的纯氧化铝。作为备选，电阻连接器包括弹簧部件。作为备选，所述方法还包括通过烧结铼和钨来形成烧结材料，从而形成正和负电极顶端。所述材料可以由大约50%的铼和大约50%的钨或大约75%的铼和大约25%的钩制成。作为备选，所述电容器具有大约30到大约100皮法(pf)范围内的预定电容量。作为备选，将正电容性元件连接到正电容性元件的步骤通过过盈配合来实现。
本发明提供用于火花点燃式内燃机的点火装置或火花塞，所述点火装置或火花塞包括电容性元件或电容器，所述电容性元件或电容器形成绝缘体或与绝缘体形成整体以便使火花发生的浪涌阶段期间电流的值最大，进而使火花电能值最大。火花能量的额外增加产生了大的火焰中心(flamekernel)，并确保了循环(cyde-to-cycle)时相对于曲柄转角的相容点火(consistent ignition)。适当使用电路，则火花隙的击穿电压不会改变，火花产生的时间不会改变，总体火花周期也不会改变。
在操作中，当电容器与电路并联连接时，点火脉冲同时施加至U(exposedto)火花隙和火花塞的电容器。当线圈上的电压电感性地上升以便克服火花隙中的阻力时，若电容器中的阻力小于火花隙中的阻力，则能量被保存在电容器中。 一旦经由电离克服了火花隙中的阻力，则在火花隙和电容器之间的反阻力触发电容器，使其在一到十毫微秒(nanoseconds)之间将存储的能量越过火花隙快速泄放，从而使电流进而使火花能量达到最大值。
电容器充到击穿火花隙所需的电压能级。当发动机负荷提高时，真空度降低，从而增加了火花隙上的气压。当压力提高了，击穿增加的火花隙所需的电压时，电容器充到更高的电压。最终的放电使峰值到达更高能量值。当电容器的充电与线圈电压的上升同时进行时，在定时事件(timingevent)中不会有任何延迟。
电容性元件优选包括两个反向充电的电传导圆柱形极板，其中接地极
ii板在插入或外成型(over molding)加工期间被完全包入工程聚合物中。 负极板在与火花塞的导电钢壳体接触的复合绝缘体的大直径处露出在小 圆周区域中。这种露出允许了物理、机械和电接触，从而将极板有效地放 置在电气系统的接地电路中。
电容性元件的正极板也是火花塞的中心导体，所述中心导体经由电阻 或电感从点火线圈或线圈直接连接到高压引线。在成型加工期间，所述导 体以过盈配合插入到复合绝缘体的中心腔体中。优选需要.0005"-.001"的过 盈配合来确定导电板的相互关系，从而建立了一致的电容量。中心导体的 插入也实现了与火花隙的中心电极的电及机械接触。
使用工程聚合物的成型工序，将包含火花隙的中心电极的陶瓷燃烧锥 体定位并使其固定到火花塞的电容性元件负极板上。优选地，所述成型工 序为本领域技术人员所理解的注入成型工序或插入成型工序。中心导体的 插入完成了电容器，并在火花塞和点火线圈之间提供了接头。根据极板的 几何形状、相互间距和绝缘工程聚合物的介电常数，电容量可以在10皮 法(picofarads)到100皮法(picofarads)之间变化。
优选偏移电容器极板的端部，以便防止电场在极板终端的增强，所述 偏移可以兼顾工程聚合物绝缘体的介电强度并可以导致火花塞的突然失 效。点火电荷可以在脉冲直接流到接地端的点上击穿绝缘体，绕过火花隙 并产生永久的火花塞故障。
本发明还提供了用于火花点燃式内燃机的火花塞，所述火花塞提供了 包括主要由铼与钨烧结而成的电极材料。烧结混合百分比可以在50%铼与 50%钩到75%铼与25%钨的范围内。由于其传导率与密度，纯钨将会成为 非常理想的电极材料，但不是内燃机应用的好的选择，这是因为纯钨的氧 化温度比化石燃料的燃烧温度要低。另外，最近的发动机设计使用了稀薄 燃烧(leanbum)，稀薄燃烧具有更高的燃烧温度，使得钨成为一个更不可 接受的电极材料。在氧化过程中，由于其在氧化温度下的挥发性，钨电极 将会以更快的速率腐蚀，从而减少了使用年限。通过将钨与铼烧结，防止 了钩的氧化过程，并能够在大功率放电应用中得到减少腐蚀的预期效果。
如当前工业实际所操作的，使用贵金属作为电极以满足综合指标，将 不会在高火花能量的操作下达到所需的里程需求。所增加的放电能量将会提高贵金属电极的腐蚀速率，并且引起不点火。在所有的不点火情况中， 将会发生催化转化器的烧坏或破坏。
虽然铼/钨烧结混合物的使用将会减轻氧化腐蚀的发生，但火花放电的 高能量仍将以比传统点火更快的速率腐蚀电极。放置在绝缘体中的电极， 利用被称为电子蠕变的火花现象完全嵌入绝缘体中，仅仅露出最末端和电 极的表面。当嵌入绝缘体的电极是新的时，火花直接发生在嵌入电极和铼 /钨顶端或附接于负电极的接地板上的按钮之间。由于大功率放电下嵌入电 极因使用而被腐蚀，电极将从远离绝缘体的表面开始拉伸或腐蚀。在这种 情况下， 一旦发生电离并产生火花，则点火脉冲中的电子将从正电极中发 射，漂移到露出的电极空腔的侧面，并跳到负电极上。
电子在电极空腔的内表面向前漂移、或电离所需的电压非常小。这种 设计允许电极在超过点火系统的运行极限时承受腐蚀，但是，在电极之间 维持更小间隙的击穿电压。用这种方式，在大功率放电下从持续运行中受 到腐蚀的更大的间隙，在某种意义上像原始间隙那样执行，即电压电平并 未超过点火系统的输出电压，从而对于所需的里程防止了不点火。
本发明也提供了一种结构，通过这种结构来影响大功率放电，并且抑 制通常与大功率放电相关联的射频干扰。利用并联连接穿过火花隙的电容 器来充电到火花隙的击穿电压，然后在火花的浪涌阶段期间快速放电，与 传统点火的火花能量相比较，这将会以指数规律增加点火火花的能量。这 主要的原因就是点火次级电路中的总阻力。
通过去除线圈与火花塞之间的高电压线，并且通过在每个允许更大的 电传输效率的汽缸中利用单个线圈，现在已经在点火的次级电路中取得了 很大的进展。但是，在火花塞中仍然存在重大的阻力，所述阻力使得典型 汽车点火的传输效率低于1%。通过用一个零电阻代替电阻式火花塞，可 以将点火能量的电传输效率提高到大约10%。增加适当尺寸的电容器进一 步将传输效率提高到超过50%。电传输效率越大，耦合到供给燃料的点火 能量的数值越大，燃烧效率也就越高，这些可能需要使用非电阻式火花塞 来实现非常高的传输效率。但是，使用非电阻式火花塞会产生无线电频率 与电磁干扰(RFI)，所述干扰通过电容器的非常硬的放电而被放大。这是不
能接受的，因为这些能级和频率上的RFI与汽车计算机的运行无法相容，这也是为什么电阻式火花塞被初级设备制造厂商普遍接受的原因。
本发明也提供了电路，所述电路包括将会抑制任何高频电噪声而不会
影响大功率放电的优选为5KQ的电阻。对RFI的抑制至关重要的是，将电阻靠近点火系统的次级电路内部的电容器放置。电阻的一端直接连接到电容器上，另一端直接连接到端子上，所述端子连接到线圈-接通-插头(coil-on-plug)中的线圈上，或者从线圈连接到高压电缆上。以这种方式，激励负载电路与任何电阻隔离，所述激励现在是电容器，并且所述负载为火花隙。当电容器中的阻力大于火花隙的阻力时， 一旦放电，线圈脉冲绕过电容器，并且直接传递到火花隙上。这种放置允许高压脉冲全部传送到火花隙中，而不会影响火花持续时间。
本发明也提供将负电容器极板连接到接地电路上的接头。电容器接头中的任何电感或电阻将会降低放电的效率，从而导致了耦合到供给燃料上的能量的减少。在成型加工期间，将绝缘体的大直径处的圆柱形极板的圆周环露出。所述环与火花塞的壳体进行正的机械和电接触。金属导电壳体上设置了合适的螺纹，以便能够安装到内燃机的头部。当所述头部机械附接于发动机机组，发动机机组通过接地板连接到电池的负端子时，可以通过与火花塞壳体的正机械接触有利地实现电容器的负极板的接地。
本发明也提供了连接到电容器的正极板的接头，所述接头提供从点火脉冲到火花隙的中心、正电极的无电阻路径。这通过将火花塞的中心导体用作正极板而实现。优选由管状高导电材料，例如铝或铜制成的中心导体，使用过盈配合插入到绝缘体的中央腔体中，并且在完全插入时与正电极的延长接合。
本发明也提供用于火花塞的内部构件的正向气封，以隔绝由燃烧工序产生的气体与压力。暴露于燃烧室的绝缘体的陶瓷锥体设置有芯型，在所述芯型中安装中心电极。所述电极上设置有与暴露于燃烧室的端部相反的延伸，以用于与中心导体和电容器的正极板相接合。所述延伸的基部是伸入陶瓷锥体的环状凸台或法兰式管接头，其使用陶瓷环氧体、铜玻璃体或其他合适的高温密封剂来实现电极的密封以隔绝燃烧气体。


本发明的目的和特点将从下列参考附图给出的优选实施例的描述而变得更加清楚，其中
图1是本发明的用于内燃火花点燃式发动机的点火装置实施例的横断面图2A是单独部件的部分分解横断面图，这些单独部件与工程聚合物一起外成型(over-molded),从而形成火花塞的绝缘体；图2B是图2A所示电容性元件的俯视图；图3是本发明的复合绝缘体的横断面图4是包括电容器元件的正极板和中心电极组件在内的单独部件的部分分解横断面图5是本发明点火装置的绝缘体组件的横断面图；和图6是本发明的点火装置的电路图。
具体实施例方式
现在参见附图，特别是图1，用于本发明的火花点燃式内燃机的火花塞或点火装置通常显示为1。火花塞或点火装置1由优选为金属的箱体或壳体15组成，所述壳体15具有大致为圆柱形的基底44，基底上可以形成有外螺纹18，以用于与火花点燃式内燃机(未显示)的汽缸盖(未显示)接合。火花塞壳体的圆柱形基底44具有垂直于火花塞1的纵轴的通常为扁平的平面，在所述平面上优选通过传统的焊接法附接了接地电极16。在本发明的一个实施例中，接地电极16具有铼/钨烧结化合物(Rhenium/Tungsten sintered compound)的优选为圆开》的顶端45，所述顶端45防止电极16由于大功率放电而产生的腐蚀，如这里所进一步公开的。
火花塞或点火装置1包括优选为中空的复合绝缘体4，所述绝缘体同心地设置壳体15内部，并与优选由陶瓷等制成的燃烧锥体5结合。中心或正电极7同心设置在陶瓷锥体5内部，所述陶瓷锥体5安装在发动机(未显示)中时设置在燃烧室中。
中心电极7优选由低电阻率值的导热和导电材料制成，例如，但不限于，铜或铜合金，所述铜或铜合金带或不带镍合金的外部涂层、包层或镀层。中心电极7优选包括通过焊接结构或通过其他合适的附接结构形成在
15其上的电极顶端17，所述电极顶端优选由铼/钨合金(50%-75%铼)制成，所
述合金在大功率放电的条件下具有很高的抗腐蚀性，如这里所进一步公开的。
火花塞1包括高导电性的弹簧10，所述弹簧是中心导体组件和电容性元件的正极板43的元件。弹簧10连接到优选为5KQ(或合适的电阻值)的电阻器或电感11的一端，并且电子地和机械地接触电容器的正极板43，所述正极板43通过将电极7的双头螺栓(stud) 9与正极板43过盈配合而连接到中心电极7上。优选地，电阻器或电感11连接到高压端子13上，以用于通过端子13的贯穿杆14进一步连接到点火线圈(未显示)上。
将火花塞的复合绝缘体4插入壳体15，并且优选将其巻曲以用于正对准并与燃烧气体密封，就像工业上常做的那样。优选地，在制造绝缘体4的外成型过程中，露出负极板2的凸缘3。当壳体15侧面巻曲并且使用传统的工业做法在绝缘体1上向下施压，则电容器2负极板的露出的凸缘3与火花塞的导电壳体15物理及电接触。电连接到发动机点火电路的接地电路上的壳体15和电容器负极板2之间的机械接触有利地确保了负极板2
电连接到点火系统的接地电路上。
现在参照图2，负极板通常以2来显示，并且包括至少一个从其上延伸的凸缘20。在成型加工期间，负极板2包裹在绝缘体4的工程聚合物中，并且露出凸缘20的顶端，以便使凸缘与火花塞的壳体(未显示)机械及电接触，从而确保极板2与点火系统的接地端电连接。凸缘20的扇形凹口 21确保绝缘体4的工程聚合物在成型加工期间完全绕板19流动，以便将极板2包住并使其与陶瓷锥体5同心设置。
优选地，陶瓷锥体5具有成型加工期间绝缘体4的工程聚合物所流入的整体的并且同心的锁定棘爪27，所述棘爪27相对于负极板2锁定和设置锥体5，并与负极板2分离。在陶瓷锥体5中形成套入中心或正电极7的同心空腔26。
中心电极7上设置了凸台23、双头螺栓9和阻止大功率放电的电极顶端17。中心电极7的凸台23套入设置在陶瓷锥体5中的空腔26。在制造过程中，空腔26优选在已安装的中心电极7和凸台23的顶端充满铜玻璃体、陶瓷环氧体或其他合适的永久密封材料，以提供气封来保护火花塞1的内部不受燃烧压力的影响。提供电极7的双头螺栓9，以便与已装配的
电容器正极板(在图4中显示为43)以过盈配合而接合，从而确保引燃电路
的正端的完成。
现在参照图3，中心电极7上设置了耐腐蚀的电极顶端17，所述电极顶端17优选由大约50%-75%铼的铼/钩合金制成。耐腐蚀的电极顶端17的一端优选与陶瓷锥体5的端部30平齐。
在点火或火花隙脉冲电源领域内，众所周知，火花能量(瓦特)的增加提高了电极的腐蚀速率，并且火花发射电极比接收电极腐蚀得更快。工业标准中已经利用贵重或贵金属，例如黄金、银、铂，近来利用铱作为可选的电极金属，以便减少常规点火能量的电极腐蚀。但是这些金属，不足以降低本发明的大功率放电下的电极加速腐蚀速率。直径为.025"-.060"，长度为.100"的优选为圆柱形结构的由大约50%到75%质量的铼与钨烧结而得到的烧结混合电极顶端17优选通过等离子、摩擦或电子束焊接方法，或其他的在传递低阻力接合点时能够实现持久性的合适方法附加到中心电极7上。
纯钨极作为一种优选的抗腐蚀材料在火花隙应用中用作电极已经完善地记录在脉冲-电源领域中。然而，当用在燃烧温度超过钨氧化温度的内燃机中时，所述电极以比贵金属更快的速率被不利地腐蚀。通过使钨与燃烧室中存在的氧隔离，可以在汽车应用中将钨用作电极材料。这是通过钨与铼的烧结和合适的粘合剂(例如，而不限于，熔化温度低于铼和钨的非氧化金属)来部分实现的。烧结过程中混合这两种优选的粉末基体金属与粘合剂，并在耐火处理中熔化粘合剂，及通过粘合剂将基体材料烧结为整体形状。这种优选为长方形的形状，在之后被压制成直径为.025"到.060"的线，以便形成电极顶端17和45。所述粘合剂通过覆盖未与铼接触的那部分钨而对鸨元件提供了防氧化保护。
虽然这对钨提供了一些防氧化保护，但是在大功率放电加工期间粘接金属被腐蚀，电极顶端17和45的生钨暴露在燃烧室的环境氧气中，从而加速了钨的腐蚀。然而，粘合剂的使用，己经极大地降低了由于暴露在氧气中而导致的腐蚀速率。另外，当钨腐蚀时，铼现在靠近于相对的或负电极，并且由于其靠近及火花散发源的场效应作用，对大功率腐蚀同样具有
17高抵抗性的铼成为火花流的来源。
另外，通过将电极顶端17相对于陶瓷锥体5而放置，在汽车应用中可以将钨用作电极材料。在这种放置中，只有电极顶端17的最末端暴露
在燃烧室的元件下。圆柱形电极顶端17的其余部分已经粘接到陶瓷锥体5上，使电极顶端17与包括氧在内的任何燃烧气体密封隔绝。在这种方式下，当处于本发明的大功率放电的条件时，只有电极顶端17的最末端会被腐蚀。
当电极顶端17逐渐磨损时，点火脉冲的电子将会从切槽电极顶端17发射，电离陶瓷锥体壁31，并在火花隙电离(未显示)及在接地电极16上产生火花(未显示)之前蔓延(creeping)到陶瓷锥体5的边缘30上。仅将受腐蚀的电极顶端17上方的陶瓷锥体壁31电离所需的电压非常小，导致火花隙击穿并产生火花所需的总电压大大低于击穿原始的、未被腐蚀的火花隙所需的电压。
按照这种方式，电极顶端17可以腐蚀到从接地电极16到中心或正电极顶端17的距离被加倍的点上，而击穿已加倍的间隙所需的电压稍大于原始火花隙的击穿电压，并且正好低于原设备制造厂的点火系统的有效电压。这就有利地确保了发动机的正常运行为火花塞至少工作109次，或者等值的100,000英里。
再次参照图3，其显示了通常以19表示的成型复合绝缘体组件，带有耐腐蚀的顶端17的中心电极7、陶瓷锥体5和粘合及绝缘工程聚合物4形成了组件19。现在参照图3的复合绝缘体19和中心电极7，以及图4的中心导体43，当中空的中心导体43插入到复合绝缘体19的空腔32中时，中心电极7的双头螺栓9与中心导体43的小尺寸孔46接合，从而在点火线圈输出(未显示)与火花塞间隙(未显示)之间提供了高导电通路。一旦连接到中心电极7上，中心导体43成为电容性元件的正极板，并且图5中通常以28表示的电容器或电容性元件根据定义形成，即由通过电介质隔离的两个相反电荷传导极板(极板43和2)形成一个电容器，所述电介质为工程聚合物4。
电容量可以通过公式计算得到；—Ln (Di/D0)
其中，C为每英寸圆柱形极板的电容量，De为聚合物4的介电常数，Ln为自然对数，Di为负极板2的内径，并且D。为图4中正极板43的外径。电容量可以通过减小相向的荷极板43和2的间距或者通过增加极板43和2的表面面积来增加。电容量还可以受工程聚合物的介电常数影响。根据所选择的材料，介电常数可以从四变化到十二。
现在注意图3的中心(或正)电极7和陶瓷锥体5的空腔26，在所述空腔26中同心地嵌入电极7。 一旦电极7插入陶瓷锥体5中，则通过将空腔26完全充满陶瓷环氧体、铜玻璃体或其他合适的高温密封剂而实现压力或气体密封。
现在参照图4，通常以33表示的中心导体组件由管状正极板或导体43、电阻ll、导电弹簧连接器IO、端子插入体12和高压电缆或线圈端子13组成。电阻11插入端子插入体12的空腔41中，并且优选通过高温陶瓷环氧体或适于保持电阻11的其他高温粘接剂在发动机运行时保持在合适的位置上。高压电缆或线圈端子13通过将端子13的螺纹部分48旋入端子插入体12的空腔40中而附接于端子插入体12。一旦通过旋入端子插入体12中而安装端子13，则端子13的指向轴47与电阻11物理及电接触。与端子13对置的电阻11的末端与导电弹簧10物理及电接触，当中心导体组件插入到图3的复合绝缘体19中时，所述弹簧被压縮。
与电阻11端部相对的弹簧10与管状正极板或导体43机械和电接触，从而完成点火脉冲的正向电路。在火花塞1的电容性元件的正极板43之前将电阻ll放置在正向电路中，从而允许电容器28在非常高的传输效率比率下放电，并且可以以大于95%的大百分比将储能堆积为(deposit)供给燃料。正常情况下，这种能量的硬堆积(hard deposit)将会产生反常数量的与汽车发动机控制计算机的运行不相容的无线电频率或电磁干扰。在电容器28之前将电阻ll放置在电路中就可以允许这种堆积同时消除这种干涉。
图6图解了用于本发明的点火装置1的典型电路30，并且显示了经由次级电路37连接到电阻11上的线圈35 (例如点火线圈等)。电容器28连
19接到电阻ll上，并且与次级电路37和地34并联。电阻ll有利地抑制了 电路30产生的高频电噪声，而不影响电容器28的大功率放电。
有大量的带有相关结果的现有实验，参见汽车工程师学会论文 02FFFL-204，其题目为"汽车点火传输效率"，其关注于电流峰值电容器的 利用，例如与高压电路如点火系统的电路30和37并联连线的电容器28 的利用，以便提高点火的电传输效率，从而将更多的电能耦合到燃料供给 中。通过将更多的电能耦合到燃料供给中，完成了相对于曲柄转角的相容 点火(consistent ignition)，降低了峰值燃烧压力中的循环的变动 (cycle-to-cycle variations),提高了发动机效率。将电流峰值电容器28并 联连接的其他好处是，在电容器28的放电中产生了大型坚固的火焰核心。 所述坚固的核心引起了更多的相容点火和更多的完全燃烧，这又导致了更 高的发动机性能。利用峰值电容器28来提高发动机性能的其中一个好处 是能够在极其倾斜的条件下点燃燃料。当今，现代化的发动机已经将越来 越多的废气引入到发动机的入口，以便降低辐射并且提高燃料经济性。峰 值电容器28的使用将允许汽车生产商倾斜空燃比，使附加的废气级别 超过当前汽车点火能力的级别。
现在参照图5，其显示了通常以6表示的完全装配的复合绝缘体组件， 所述复合绝缘体组件由具有陶瓷锥体5和带有耐腐蚀电极顶端17的中心 电极7的外成型(over-molded)绝缘体19、电容性元件28的负极板2和 绝缘工程聚合物4组成。同样显示了图4所示的中心导体组件33的完全 装配元件线的横断面图，所述中心导体组件33由电容器或电容性元件28 的管状正极板或导体43、电阻ll、导电弹簧连接器10、端子插入体12和 高压电缆或线圈端子13组成。本视示了复合绝缘体组件6在插入并 巻进图1的火花塞壳体44之前的完全装配图。
图5的气封和接地接触垫圈22被放入图1的壳体15中，其依靠直径 的过渡，确保负极板43与壳体15接触，并且完成本发明的电容性元件的 接地电路。
本发明的火花塞或点火装置1的实施例提供了具有绝缘体4和5的火 花塞，其中绝缘体为异质材料的复合。火花塞或点火装置1的实施例包括 截面非常小的电极顶端17和45材料，所述材料设计用于在整个大功率放电火花隙装置中有效地降低电极顶端17和45的腐蚀。火花塞或点火装置
1的实施例中，绝缘体4构造成能够产生与点火系统的高压电路30并联的 电容器28，并且将电感或电阻11放置在火花塞的电路30中，其中电阻或 电感11合适地屏蔽火花塞1的任何电磁或射频发射，所述火花塞中并未 包括火花的大功率放电。火花塞或点火装置1的实施例中还完成了电容器 28和点火系统的高压电路30，以便提供在火花塞1的电极17上的大功率 放电路径。
虽然已经特别参考这些优选实施例来详细描述本发明，其他的实施例 也能得到相同的结果。对本发明所进行的变化和修改对于本领域技术人员 来说是很明显的，并且本发明的意图是覆盖所有这种修改和等效方案。所 有参考资料、应用、专利和前面和/或附件中所引用的出版物，以及对应申 请的全部公开内容在此通过参考而结合进来。
2权利要求
1. 一种用于内燃机的复合点火装置，包括粘接到第一绝缘体以形成点火锥体组件的正电极，所述正电极具有形成在其端部的顶端；连接到所述点火锥体组件的第二绝缘体，所述第二绝缘体包括嵌入其内的负电容性元件；设置在所述第二绝缘体内且通过所述第二绝缘体与所述负电容性元件隔离的正电容性元件，所述正电容性元件连接到所述正电极，所述正电容性元件与所述负电容性元件形成电容器；设置在电阻绝缘体中且通过电阻连接器连接到所述正电容性元件上的电阻；连接到所述电阻并附接于所述第二绝缘体上的电接插件；与附接于所述第二绝缘体与所述点火锥体组件，且连接到所述负电容性元件上的壳体，所述壳体包括负电极，所述负电极具有形成在其上且与所述正电极顶端间隔开的顶端。
2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二绝缘体附接于所 述点火锥体组件，且所述负电容性元件通过注入成型嵌入所述第二绝缘体 中。
3. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二绝缘体附接于所 述点火锥体组件，且所述负电容性元件通过插入成型嵌入所述第二绝缘体 中。
4. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二绝缘体包括工程 聚合物。
5. 如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述工程聚合物包括液晶 聚合物。
6. 如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述工程聚合物包括聚醚 醚酮。
7. 如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述工程聚合物具有从大约5到大约10之间的介电常数。
8. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一绝缘体包括氧化 铝材料。
9. 如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述氧化铝材料包括从大 约88%到大约99%的纯氧化铝。
10. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电阻连接器包括弹簧 部件。
11. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述正和负电极顶端包括 铼与钨烧结材料。
12. 如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述材料由大约50%铼 与大约50%钨制成。
13. 如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述材料由大约75%铼 与大约25%钨制成。
14. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述正电极还包括在其外 表面上的导电墨水涂层，所述涂层具有预定的厚度。
15. 如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述导电墨水包括贵金 属或贵金属合金。
16. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电容器具有从大约 30到大约100皮法范围内的预定电容量。
17. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述正电容性元件通过过 盈配合连接到所述正电极上。
18. —种用于内燃机的点火装置的电路，包括.-操作用于间歇激活所述电路的电源； 在其端部具有顶端的正电极；接地的且在其端部具有顶端的接地电极，所述接地电极顶端以预定火花隙与所述正电极顶端间隔开；至少一个与所述电源和所述正电极串联的电阻；与至少一个直接连接到所述电阻且与所述正电极和地并联的电容器。
19. 如权利要求18所述的电路，其特征在于，当所述电路激活时，所 述至少 一个电阻降低了射频干扰(RFI)。
20. 如权利要求18所述的电路，其特征在于，当所述电路激活时，所述至少一个电容器增加所述火花隙的峰值电流。
21. 如权利要求18所述的电路，其特征在于，所述正和负电极顶端包 括铼与钨烧结材料。
22. 如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述材料由大约50%铼 与大约50%钨制成。
23. 如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述材料由大约75%铼 与大约25%钨制成。
24. 如权利要求18所述的电路，其特征在于，所述电阻具有在大约2 千欧姆到大约20千欧姆范围内的预定电阻值。
25. 如权利要求18所述的电路，其特征在于，所述电容器具有在大约 30到大约100皮法范围内的预定电容量。
26. —种用于形成内燃机的复合点火装置的方法，包括 将正电极与第一绝缘体粘接以形成点火锥体组件，所述正电极端部包括形成在其上的顶端；将负电容性元件嵌入第二绝缘体中，并且将所述第二绝缘体附接于所 述点火锥体组件上；将正电容性元件连接到所述第二绝缘体中的所述正电极上，所述正电 容性元件通过所述第二绝缘体与所述负电容性元件隔离，所述正电容性元 件与所述负电容性元件形成电容器；将电阻设置在电阻绝缘体中；通过电阻连接器将所述电阻连接到所述正电容性元件上；将电接插件连接到所述电阻上；将所述电接插件连接到所述第二绝缘体上；将壳体连接到所述第二绝缘体与所述点火锥体部组件上，所述壳体包 括其上形成有顶端的负电极，所述负电极顶端与所述正电极顶端间隔开； 以及将所述壳体连接到所述负电容性元件上。
27. 如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括将所述电极的顶 部密封在所述绝缘体中。
28. 如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括在将所述正电极与所述第一绝缘体粘接之前，在所述正电极上涂覆导电墨水。
29. 如权利要求28所述的装置，其特征在于，所述导电墨水包括贵金 属或贵金属合金。
30. 如权利要求26所述的方法，其特征在于，将所述壳体连接到所述 第二绝缘体与所述点火锥体组件上的所述步骤包括将所述壳体折向所述 第二绝缘体及所述点火锥体组件。
31. 如权利要求26所述的方法，其特征在于，将所述壳体连接到所述 负电容性元件的所述步骤包括将所述壳体折向所述负电容性元件。
32. 如权利要求26所述的方法，其特征在于，将所述正电极与所述第 一绝缘体粘接的所述步骤包括在预定温度下加热所述正电极与所述第一 绝缘体预定时间。
33. 如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述预定温度为大约750 摄氏温度到大约900摄氏温度。
34. 如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述预定时间为大约IO 分钟到大约60分钟。
35. 如权利要求26所述的方法，其特征在于，将负电容性元件嵌入第 二绝缘体且将所述第二绝缘体附接于所述点火锥体组件的所述步骤包括 注入成型。
36. 如权利要求26所述的方法，其特征在于，将负电容性元件嵌入第 二绝缘体且将所述第二绝缘体附接于所述点火锥体组件的所述步骤包括 插入成型。
37. 如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述第二绝缘体包括工 程聚合物。
38. 如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述工程聚合物包括液 晶聚合物。
39. 如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述工程聚合物包括聚 醚醚酮。
40. 如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述工程聚合物具有从 大约5到大约IO的介电常数。
41. 如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述第一绝缘体包括氧化铝材料。
42. 如权利要求41所述的装置，其特征在于，所述氧化铝材料包括从大约88%到大约99%的纯氧化铝。
43. 如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述电阻连接器包括弹簧部件。
44. 如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括通过烧结铼与钨形成烧结材料来形成所述正和负电极顶端。
45. 如权利要求44所述的方法，其特征在于，所述材料由大约50%铼与大约50%鸽制成。
46. 如权利要求44所述的方法，其特征在于，所述材料由大约75%铼与大约25%鸭制成。
47. 如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述电容器具有在大约30到大约IOO皮法范围内的预定电容量。
48. 如权利要求26所述的方法，其特征在于，将正电容性元件连接到所述正电极的所述步骤通过过盈配合来完成。
全文摘要
一种复合点火装置包括在其上形成顶端的正电极，所述顶端粘接到第一绝缘体上以便形成点火锥体组件。具有嵌入其内的负电容性元件的第二绝缘体连接到点火锥体组件上。正电容性元件设置在第二绝缘体上，并通过第二绝缘体与负电容性元件隔离。正电容性元件连接到正电极上。正和负电容性元件形成电容器。电阻连接到正电容性元件上。电接插件连接到电阻上，并附接于第二绝缘体。包括具有顶端的负电极的壳体附接于第二绝缘体与点火芯部组件上，且连接负电容性元件上。负电极顶端与正电极顶端间隔开。
文档编号H01T13/00GK101479900SQ200780024665
公开日2009年7月8日 申请日期2007年5月14日 优先权日2006年5月12日
发明者路易斯·S·卡米莉 申请人:能量脉冲科技有限公司