相关申请的交叉参考
[0001]本申请对美国临时
专利申请序列号60/772,278(2006年2月10日递 交)和美国临时专利申请序列号60/737,963(2005年11月18日递交)要 求优选权，在此均结合引用。
[0002]技术领域
[0003]本
发明涉及用在
内燃机中的
火花塞和其他点火装置，以及更具体地， 涉及具有高性能金属点火尖端的点火装置。
[0004]背景技术
[0005]火花塞在业内是公知的并且一直用来在内燃机中引发燃烧。通常，火 花塞是延伸到内燃机的
燃烧室内并且能够产生火花以点燃在其中的空气和燃 料的可燃混合物的装置。具体地，火花塞通常包括圆柱形金属壳，其具有外
螺纹，该
外螺纹旋入
发动机的一部分，以及进一步具有钩子形状的接地
电极， 该
接地电极连接到火花塞的
点火端。一个圆柱形绝缘体部分设置在金属壳中 并且朝向点火端和接线端轴向延伸超出该金属壳。导体
端子与该点火端相对， 设在该圆柱绝缘体内火花塞的接线端。在点火端，中央电极设在该绝缘体内 并且朝向该接地电极轴向突出该绝缘体，借此在中央电极和接地电极之间形 成火花塞间隙。
[0006]由于内燃机本身的性质，火花塞在
气缸内暴露在许多极端情况下，包 括高温和各种
腐蚀性燃烧气体，这传统上减小了火花塞的寿命。电火花腐蚀 也减少火花塞的寿命。电火花腐蚀是电极、特别是点火尖端或者挨着或者邻 近点火尖端的材料在运行中因为
电弧高温导致的局部
蒸发而腐蚀。火花塞传 统上具有由镍或镍
合金形成的电极，它们容易受到电火花腐蚀的影响。近来 制造商有用贵金属，如铂、铱或它们的合金制造中央电极的点火端，以最小 化电火花腐蚀。铂、铱以及它们的合金通常非常耐电火花腐蚀。然而，铂、 铱或它们的合金又是非常昂贵的，所以希望制造点火部分的材料的用量减少。
[0007]在运行中，高达40000伏特的点火
电压脉冲通过火花塞施放到该中央 电极，由此导致火花跳过中央和接地电极之间的间隙。该火花点燃燃烧室或 气缸内的空气和
燃料的混合物以产生高温燃烧从而驱动发动机。不幸的是， 燃烧室内的高压和高温环境会通过如电火花腐蚀使火花塞的部件功能退化。 当火花塞退化后，点火的特性就成为可变的，由此降低点火的
质量以及产生 的燃烧。尽管铂、铱或其他贵金属和它们的合金不易受到电火花腐蚀的影响， 但是如果过小，用于贵金属的点火尖端不管长度、宽度或者大小如何，火花 会围绕贵金属尖端和中央电极和接地电极的基材之间的弧跳动。由于基材通 常是镍合金，其容易受到电火花腐蚀的影响，这会导致基材或中央电极腐蚀 直到贵金属尖端耗尽。火花塞的任何退化会影响点火的质量，任何不是源于 点火部分的点火表面而是源于中央电极并且围绕该贵金属点火尖端传播的点 火将降低火花的质量。火花的质量影响到对空气和燃料混合物的点燃(即， 燃烧效率、燃烧
温度和燃烧产物)。因此，发动机的功率输出、燃料效率、性 能，以及空气和燃料混合物燃烧产生的排放会受到不利的影响。由于越来越 强调控制
机动车辆的排放，不断增加的燃料价格和现代的性能要求，期望为 了获得一贯的发动机性能和排放质量而保持高质量的火花。
[0008]火花塞的寿命以及由此火花塞对电火花腐蚀的耐受性对于制造商也是 重要的。制造商越来越要求更长的火花塞使用寿命如100000英里、150000 英里以及175000英里使用寿命。许多传统的镍火花塞由于电火花腐蚀和侵蚀 仅具有20000到40000英里的使用寿命。此外，许多制造商增加发动机气缸 内的压缩比以提供燃料效率更高的发动机。压缩比的任何增加也要求增加火 花塞工作电压，以足以允许火花在中央和接地电极之间的
火花间隙跳动。火 花塞工作电压的任何增加也增加电火花腐蚀的可能性并且因此减少火花塞的 寿命。一种对抗电火花腐蚀的方法是大大增加贵金属材料(如铱、铂或其合 金)的用量形成点火端的尖端点火部分或大小。然而，铱、铂及其合金是极 其昂贵的，并且因为制造商一直要求降低成本，所以将用在火花塞中的铱、 铂或其合金的量最小化是很重要的。
[0009]此外，在制造具有由铱、铂或其合金形成的点火部分的火花塞中，将 该点火部分连接到中央电极基材是困难的。铱和铂合金往往具有不同的属性 并且有时难以可靠地
焊接到中央电极的基材上。另外，铱及其合金往往非常 易碎，导致非常难以处理以及连接到基材。
发明内容
[0010]综上所述，本发明提供用于火花塞的多层点火尖端——其减小贵金属 的用量同时提供对电火花腐蚀和侵蚀足够的耐受性，具有耐火花的中间材料， 以及将火花塞与该多层点火尖端组装的方法。
[0011]该火花塞包括具有放电端和焊接端的点火尖端。该焊接端连接到中央 电极，以及更具体地是该中央电极上的基本电极。该焊接端具有一个
热膨胀 系数，这个系数并不在该放电端和该基本电极的
热膨胀系数的值之间。更具 体地，该焊接端具有的热膨胀系数大于该放电端和基本电极的热膨胀系数。
[0012]该火花塞包括具有放电端和焊接端的点火尖端。该焊接端包括由镍和 铬与有限量的其它元素形成的材料。该焊接端包括少于20％铱或铂和少于3％ 的铑。在某些实施方式中，该焊接端还包括
铁，
碳，锰，
硅，
铜，
铝和铼。
[0013]该火花塞可通过由用于该放电端的材料形成的第一细长材料和由用 于该焊接端的材料形成的第二细长材料组装而成。然后将这两种材料结合以 形成单个结合的材料，然后切断以形成点火尖端。将该点火尖端焊接到该火 花塞的中央电极，以及更具体地是该基本电极。
[0014]从下面详细描述、
权利要求和
附图中，本发明更大的应用范围将变得 显而易见。然而，应当理解该详细描述和具体示例，尽管指出本发明的优选 实施方式，仅仅是作为示例给出的，因为在本发明主旨和范围内的各种变化 和
修改对于本领域的技术人员将变得显而易见。
附图说明
[0015]从下面给出的详细描述、所附权利要求和附图，将可以充分理解本发 明，其中：
[0016]图1是通常火花塞的主视图；
[0017]图2是点火尖端的主视图；
[0018]图3是包括点火尖端的中央电极总成的主视图；
[0019]图4是该中央电极总成的点火端的放大的局部主视图；
[0021]图6是具有
铆钉头点火尖端的中央电极总成的局部主视图；
[0022]图7具有连接到中央和接地电极的点火尖端的火花塞的局部剖视图；
[0023]图8是另一种火花塞的局部剖视图；
[0024]图9A-9E以简化的形式描述了制造
具有多层点火尖端的火花塞中央电 极的方法；
[0025]图10A-10B描绘了用于图9A-9E的制造方法的额外的步骤；
[0026]图11描绘了组装工艺的过程；
[0027]图12A-12F以简化的形式描绘了根据本发明的制造方法；以及
[0028]图13A-13E以简化的方式描绘了本发明的制造方法。
具体实施方式
[0029]本发明主要涉及点火装置，如火花塞点火器和其他火花发生装置。火 花塞10在图1的主视图中说明。该火花塞10包括固定在绝缘体14上的外部 金属壳12。该外部金属壳12连接到接地电极20。该绝缘体14具有中心孔(未 示)，中央电极总成40位于其中。该中央电极40在点火端44延伸突出该绝 缘体14，更具体地是伸出该绝缘体芯部突起18。基本电极42位于在该中央 电极总成40的点火端44，点火尖端50面向该接地电极20连接到该基本电 极。
[0030]如图所示，基本电极42局部延伸入该燃烧室，所以其由基本抗腐蚀和
氧化的合金形成。基本电极通常由包括镍的合金形成。其它的元素可以增加 到该基本电极，如铬、硅、锰、
钛、锆、碳、铁、钇、铝、锰、
钙、铜、硫、
钒、铌、钼、钨、钴、磷和铅。一种这样的镍合金包括少于2％的硅和铝， 以及少于0.5％的钇、铁、铬、碳、钛、锰、钙、铜、硫、磷、钒、铌、钼、 钨和钴。另一种可以接受的合金包括少于3％的铬和锰，以及少与1％的硅、 钛、锆、碳和铁。另一种可接受的镍合金包括少于20％的铬，少于10％的铁 以及少与1％的锰、硅、镁、铝、钴、铌、碳、铜、钼、磷、钛、硫和铅。
[0031]该点火尖端50连接到该基本电极42。该点火尖端50面向该接地电极 20，并且，在运行中，在该点火尖端50和该接地电极20之间的
火花隙22 中产生火花。该点火尖端50由两种不同的材料形成。更具体地，该点火尖端 50包括放电端52和焊接端54。该放电端52在焊点56焊接到该焊接端54。 如图7和8所示，该点火尖端50也可利用焊池58焊接到该基本电极42。
[0032]该放电端52由耐电火花腐蚀和通常还耐侵蚀的材料制成。耐电火花腐 蚀的材料通常包括铱(Ir)、铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、钌(Ru)、铼(Re) 或其合金。
发明人发现铂和铱或其合金由于其通用性且容易制造以及耐电火 花腐蚀和侵蚀而提供目前所需特征的最佳平衡。由铱合金形成的放电端52 通常包括其他元素，如从由铂、钯、铑、钌、铼、铜(Cu)、铬(Cr)、钒(V)、 锆(Zr)、镍(N)和钨(W)中选取的元素。
[0033]一种适于用作该放电端52的示例的铱合金通常包括至少90％的铱、铂 或其组合，具有少于5％的铑、少于3％的钨、少于3％的锆以及少于10％的 其他材料。另一个适用于该放电端52的示例性铱合金包括超过90％的铱、 少于3％的铑、少于1％的钨以及少于1％锆。如上面所述的铱合金所具有的 热膨胀系数通常近似为在20℃少于71/℃×10-6。
[0034]该放电端52连接到该焊接端54以形成该点火尖端50。该放电端52 和焊接端54一般通过焊点56或其它方式连接。该焊接端54通常由镍合金制 成并且其热膨胀系数大于该放电端52和基本电极42的热膨胀系数。发明人 惊奇地发现不像
现有技术那样需要中间元件—如焊接端54—在周围端部，如 该放电端52和基本电极42—之间某处具有热膨胀系数，高于周围的元件的 热膨胀系数提供非常适用于中间元件的材料，并且作为火花塞材料非常适于 用在燃烧室中。具有给定的热膨胀系数关系的材料形成焊点，这些焊点具有 可以接受的使用寿命、具有中间元件所需要的特性和所期望的耐腐蚀和电火 花腐蚀的特性。本发明发现热膨胀系数比该基底元件和放电端的热膨胀系数 大至少5％的某些合金提供了作为中间元件所需要的特性。该焊接端54的热 膨胀系数大于13.5，具体地大于14和更具体地大于14.5。发明人发现镍和铬 的合金(热膨胀系数近似为14.5-15)提供用于火花塞中间元件所需的特性， 尤其是形成该火花塞10的点火尖端50一部分的中间元件。
[0035]用于该焊接端54的合金包括镍和铬，具有至少一种选自铜，钒，锆， 钨，锇(Os)，金(Au)，铁(Fe)，钴(Co)和铝(Al)中的元素。根据上 面元素的某些组合的测试，预期所有上述可能的组合提供足够的
耐腐蚀性、 寿命和在该火花塞的使用期牢固焊接到该基本电极和该放电端52的能
力。此 外，令人惊讶地发现含有重量少于20％的铂、铱、钌、铼和铑的焊接端54 提供中间元件所需的特性，同时减少贵金属的使用量。并且，已经发现含有 少于10％的铂、铱、钌、铼和铑的合金具有可以接受的特性。甚至含有少于 5％和更具体地少于3％的选自铂，铱，钌，铼和铑的任何元素以及少于5％ 的其任何组合的合金提供中间元件所需的特性，同时将使用的贵金属的量降 低到最小。用于该焊接端54的合金一般包括镍和铬，含有大约少于2％任何 从铁，铂，铱，钌，铼，铑，镁(Mg)，锰(Mn)，铝，硅(Si)，锆，钨， 钒，锇，金，铜和钴中选择的元素。此外，发现一种含有15到45％的铬、 少于20％的其他元素、少于10％的任何贵金属，如铂，铱，钌，铼和铑，其 余为镍的合金，提供了出色的中间元件。更具体地，在该优选实施方式中的 焊接端54由含有15到45％的铬、少于1％的铁、少于0.1％的碳、少于1％ 的锰、0.5和2％之间的硅、少于0.5％的铜，少于0.2％的铝以及少于0.1％铼、 其余为镍的合金制成。该焊接元件54可进一步由含有19-21％的铬、少于1％ 的铁、少于0.08％的碳、少于1％的锰、1.0-1.5％的硅、少于0.5％的铜、少于 0.2％的铝和少于0.04％铼、其余为镍的合金构成出了色的合金中间合金材料， 其热膨胀系数近似为在20℃下14.5到151/℃×10-6。
[0036]下面是该火花塞10与所附的点火尖端50装配的示例性方法。本领域 的技术人员会理解通常如何将金属壳12与该绝缘体14组装，在该绝缘体14 内具有接地电极20和中央电极总成40。可使用任何已知的方法来组装该火 花塞的基本部件，而下面的方法仅处理该点火尖端50的形成和将该点火尖端 50随后连接到该中央电极40的基本电极44。
[0037]提供第一细长材料80以形成该放电端52。提供第二细长材料82以形 成该焊接端54。该细长材料80和82以线或杆的形式形成。该第一细长材料 80，并由上述适于形成该放电端52的合金或者具体材料形成。该第二细长材 料82并由适合提供上述焊接端54的材料或合金形成。该第一细长材料80 具有第一端81以及该第二细长材料82具有第二端83。
[0038]该第一端81和第二端83对接在一起，然后
点焊，如利用激光。该对 接的端81和83然后进一步围绕对接的周边焊接，从而提供足够的
焊缝以使 该放电端52在该火花塞10的工作寿命中保持与该焊接端54的连接。在该优 选实施方式中，该对接端81和83的全部周边焊接在一起，利用如
激光焊接、
电阻焊、EB焊接、铜焊、摩擦焊、搅拌焊接或者其他任何将两种材料连接 在一起的方法。在一些实施方式中，该点焊步骤可以省去并且可以直接进行 周边焊接。在其他实施方式中，这两端可以通过
摩擦焊接在一起，如将该第 一和第二材料80或82的一个关于另一个旋转，从而该对接端81和83在焊 接结合点56焊接在一起。
[0039]当该对接端81和83在该焊接结合点56焊接在一起之后(如图9B、 12B和13B所示)，切断包括焊点56的结合在一起的材料的一部分以形成该 点火尖端50。切断工艺可通过如图9C和9D所示的冲头90和模具92、图 12C所示的切断操作、然后如图12D和12E所示
冲压或者如图13C所示的两 部分切断操作来完成。尽管图示该切断操作由锯条98完成，但是该结合的材 料84可通过任何手段切断如激光、磨削、金刚石锯、金属带锯或者其他任何 将两个金属部分切断的方法，以形成放电端52，其允许用作火花塞点火表面， 以及焊接端54，其具有允许焊接到该基本电极42的表面。每个图说明单个 结合在一起的细长材料84，如单个结合的电线84被单个切割，尽管没有说 明，但是发明人发现优选的是将多个细长材料结合以形成一多个结合的材料 84。该束可以批量切割，如利用金刚石锯切断该束并且从该结合材料84切割 该第一和第二材料80或82的一个。该点火尖端然后可通过如冲头或
锯子从 其他材料80或82切割。尽管目前发明人发现在火花塞上组装和制造该点火 尖端50最有效的方法是将结合后的材料84结合并且
捆成50到100个单个结 合的电线84的束，然后利用金刚石锯98从该结合材料84切割该点火尖端， 但是相信利用为处理该微小点火尖端50特别设计的额外的制造设备，冲压会 是更有效的组装方法。例如，执行该冲压的单个机器，如图9C和9D以及图 12D和12E所示，然后在冲压后抓取该点火尖端50以及自动将其焊接在火 花塞10或中央电极总成40上的合适
位置可能是更有效的组装方法。
[0040]在单个点火尖端50切断之后，这样该点火尖端50包括该第一材料80 和该第二材料82的一部分，其分别形成该放电端52和焊接端54，在它们之 间具有焊点56，然后抓取该
焊接件(点火尖端50)用于组装到该基本电极 42。应当意识到尽管图示焊点56靠近该点火尖端50的中间，但是为了减少 材料消耗，该放电端52可制成大大小于该焊接端54。这将仍允许提供足以 强健抵抗电火花腐蚀的放电端52同时提供更耐腐蚀的焊接端54。
[0041]将该放电端52的尺寸最小化，不仅减少材料消耗，还使得该放电端52 上的腐蚀影响最小。例如，铱合金放电端52会容易受到内燃机燃烧室内特定 类型的腐蚀的影响。因为铱熔点高，所以也非常耐氧化和腐蚀。然而，随着 车辆制造商逐渐增加发动机的压缩比和运行温度以提高燃料经济性，已经发 现铱在高温下具有易挥发性的氧化态，如在该火花塞运行范围的上端。因为 更高的压缩比的发动机要求通过该火花塞提供更高的功率以迫使火化在该中 央电极40和该接地电极20之间跳动，所以该火花塞10的运行温度增加。在 高温下，火花塞10的铱放电部分52会经历严重的腐蚀。该腐蚀被认为是当 钙和/或磷与铱在高温下反应时发生，从而导致该放电端52的腐蚀和侵蚀。 燃料材料中存在钙和磷相对来说是更晚发展出来的，因为许多制造商试图通 过允许更多的机油渗入燃烧室减小摩擦来增加燃料经济性。钙和磷主要存在 于发动机机油中，特别是在机油添加剂中。我们认为在发动机气缸内的燃烧 过程中，钙和磷在存在氧的情况下与铱反应以形成挥发性化合物，其蒸发并 且导致该放电端52上的铱损失。更具体地，认为在燃烧和废气循环过程中气 态钙在该火花塞的铱放电部分
凝结，以及更具体地，是在该点火尖端50的放 电部分的侧面。已知熔融的钙溶解铱以及在存在磷的情况下铱容易氧化。所 以，该磷和氧与该溶解的钙铱混合物反应后形成的化合物非常易挥发并且被
汽化而导致在该放电部分上的铱损耗。通常这种腐蚀发生在该放电部分的侧 面而不是点火表面，由此最小化用于该放电端52的材料的量，提供非常耐电 火花腐蚀的放电端52，同时又具有最小的容易受到腐蚀影响的表面面积。更 具体地，发现在点火表面的点火使铱不受腐蚀影响。类似的情况发生在铂上， 其可能具有各种发展，这最终会干扰火花隙，因此减少该火花塞的性能。
[0042]由此，当该点火尖端50从结合材料84切断时，切断的方法可允许焊 接到该焊接端54的铱放电部分使用非常微小的量。当将小的贵金属片(如铱) 直接焊接到点火尖端时，这允许比通常在制造设备中能够容易处理的高度和 长度小很多。如果小片放电端焊接到该焊接端，本发明的方法还提供比通常 可实现的更牢固的焊接，尤其对于难以焊接的材料，如铱。更具体地，该点 火尖端50可切割为非常小的部分，形成具有由该焊接端54形成的大
块点火 尖端的放电端。通过使用本发明的工艺，用来形成放电端52的铱的量比该点 火尖端50作为单独部件单独焊接小得多。这也允许铱的腐蚀效应最小。
[0043]一旦该点火尖端50从该结合的材料84切断，其被拾取然后组装到该 火花塞上。当然，在组装到该火花塞10上之前，会进行某些可选的组装步骤。 为了提供该基本电极42和该焊接材料54之间更好的粘结，可对该点火尖端 50执行某些处理操作，如在该焊接端54增加铆钉头60，如图10A所示。一 种将铆钉头50附加到该点火尖端50的方法是将该点火尖端50与
镦锻模96 对直并将该点火尖端50推入镦锻模96。该点火尖端50由冲头94
支撑，该 冲头然后将该点火针50推入该镦锻模96以形成该铆钉头60。该冲头94也 可形成中空形式，具有顶推针(kick out pin)(未示)，其被推入该铱端以使 得该焊接端54
变形并且被导入铆钉60。通过利用该冲头94支撑该铱部分， 防止该放电端52
破碎，因为铱和其他贵金属合金通常是易碎的。然后如图 10B和图11所示的通过将该铆钉头60设在该基本电极42上的腔内然后利用 如激光100焊接而连接该点火尖端50。还可以进行其他的处理步骤以进一步 形成该基本电极42，更具体的是形成该中央电极总成40的点火端44。
[0044]如果该点火尖端50没有形成铆钉头60，该点火尖端50可通过如图9E 所示的
电阻焊接直接连接并且焊接到该基本电极42。当然可以使用激光焊接 和其他焊接方法。
[0045]如图11所示，也可将贵金属片70增加到该接地电极20。还如图7所 示，该点火尖端50可连接到该接地电极20。更具体地，图7说明次级点火 尖端50′，其具有直接对着连接到该中央电极的该点火尖端50的铆钉头60。 通过放置两个点火尖端，一个在该中央电极上而一个在该接地电极上，他们 的放电端相对置，可以提高该火花塞的性能。
[0046]前面的讨论公开并描述了本发明一个示例性实施方式。本领域的技术 人员可从这样的讨论以及从附图和权利要求中容易认识到可以进行各种不同 的改变、修改和变化，而不背离如下面的权利要求所限定的本发明的主旨和 范围。
