专利名称：具有桥接的接地电极的火花点火装置及其制造方法
技术领域：
本发明大致涉及火花点火装置，包括用于内燃机的火花塞，更具体地涉及它们的接地电极点火表面及其制造方法。
背景技术：
用于汽车，工业和/或船舶内燃机中的火花塞通常具有一中心电极，该中心电极终止于点火尖端，该点火尖端越过火花间隙与接地电极点火尖端隔开对置。该点火尖端由于其构造和操作环境而通常需要经受相对扭转和轴向移动以及电腐蚀和化学腐蚀。随着该尖端的移动和/或磨损，该火花间隙发生改变，进而火花塞的性能将随着时间的流逝而降低。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种火花点火装置。该装置包括一陶瓷绝缘体和一围绕至少部分所述陶瓷绝缘体的金属壳体。该金属壳体沿着中心轴在上部终端和下部紧固端之间延伸。该紧固端具有大致平面的表面和一对彼此径向对置的凸起部，该大致平面的表面垂直于中心轴延伸，该凸起部从该大致平面的表面远离该终端轴向延伸至自由端。进一步地，一中心电极组件容置于至少部分陶瓷绝缘体内。此外，该装置包括一细长的接地电极，该接地电极具有沿着该接地电极的长度在相对末端之间延伸的相对的侧面。该接地电极具有相对的表面，该相对的表面带有点火表面，该点火表面连接至该相对的表面中的一个相对表面，其中，该带有且连接有点火表面的一个相对表面轴向陷入该凸起部的自由端， 至少一部分该相对侧面被该凸起部包围。根据本发明的另一个方面，提供一种制造点火装置的方法。该方法包括提供一陶瓷绝缘体；将具有点火表面的中心电极组件至少部分设置于该陶瓷绝缘体内；提供一环形的具有中心轴的金属壳体并形成一对凸起部，该中心轴在上部终端和下部紧固端延伸，该凸起部从紧固端附近的大致平面的表面轴向延伸至自由端；提供一细长的接地电极，该接地电极具有相对的侧面和相对的表面，该相对的侧面沿着在相对末端之间的长度延伸，该相对的表面带有一点火表面，该点火表面连接至所述相对的表面中的一个相对表面；以及在焊接工序中使接地电极陷入该凸起部的自由端，并使接地电极的点火表面与中心电极的点火表面预先间隔开，以在其间形成火花间隙。根据本发明的另一个方面，该接地电极通过电阻焊接工序被焊接于凸起部的末端。根据本发明的另一个方面，在焊接工序过程中，相对末端陷入成形于壳体凸起部的末端中的凹口中。根据本发明的另一个方面，在将接地电极连接至该凸起部之前，凹入的凹口成形于壳体凸起部内以容置该接地电极。由于接地电极的末端被至少部分凸起部材料所包围，该接地电极被限制在相对于中心电极的期望的固定位置上。因此，该点火装置提供一火花间隙，该火花间隙在整个长期的使用寿命中具有精确的均勻的轴向宽度。因此，根据本发明制造的活塞具有很长的使用寿命。
结合下列目前优选实施例和最佳实施方式的具体描述以及附图进行考虑，本发明的上述及其他方面、特征和优点将会更加容易理解，其中图1示出了根据本发明的一个当前优选方面构造的沿着火花点火装置的中心纵轴的横截面视图；图2示出了图1中被包围区域2的放大的横截面视图；图2A示出了图1的火花点火装置的点火末端的局部底视图；图2B示出了图1的火花点火装置的点火末端的局部透视图；图3示出了图1的火花点火装置的接地电极组件的顶视图；图3A示出了图3的接地电极组件的侧视图；图4和图4A示出了图1的火花点火装置的外部金属壳体在连接至接地电极组件之前相对彼此被旋转90度的侧视图；图4B示出了图4和图4A的金属壳体的局部底视图。
具体实施例方式更具体地参考附图，图1示出了根据本发明的一个当前优选方面构造的点火装置，示出为内燃机火花塞组件10。该组件10具有一环形的陶瓷绝缘体12和一环形的围绕至少部分该陶瓷绝缘体12的金属外部壳体14。中心电极组件16从近接线端头18到远点火末端沿着组件10的中心纵轴17同轴延伸，该组件至少部分收容并穿过该绝缘体12，该点火末端也被称为点火表面20 (图幻。一接地电极22具有相对末端24，25，该相对末端与壳体14的直径上对置的相对侧面27，四连接，与通常的悬臂式构造不同，接地点火表面(也被称为点火表面26)被固定于接地电极22，该接地点火表面从中心电极组件16的点火表面 20相对于中心轴17被同轴或者基本同轴地轴向间隔开以提供火花间隙观。由于接地电极 22至少部分围绕其相对末端24，25被固定，从该接地电极22到壳体14的热流路径得到改善，从而降低了接地电极点火表面26被电腐蚀和化学腐蚀的可能性，进一步地，降低了接地电极22和点火表面沈在使用过程中移动的可能性，因此，使得接地电极和中心电极点火表面20，沈之间的理想火花最大化。该电传导性的金属外部壳体14可由任何合适的金属构成，包括各种涂层和未涂层的钢合金。该壳体14具有一大致管状本体，该本体带有一大致环形的外部表面30，该外部表面在上部终端31和下部紧固端32之间延伸。该紧固端32具有一外螺纹部位34，该外螺纹部位用于在气缸盖(未示出)的燃烧室开口内进行螺纹连接。该壳体14也具有一环形的凸缘36，该凸缘从该外部表面30径向向外延伸以提供一环形的大致平面的密封座38 以通过由此悬垂的螺纹部位34与该气缸盖的上表面密封配合。该密封座38可配合垫片39 以便于在该壳体14的外部表面和该燃烧室开口内的螺纹孔之间的空隙形成热气密封。此外，该密封座38也可构造为位于该壳体14的下部的锥形座以在气缸盖内提供紧公差和自密封的安装，此时的这种类型的火花塞座具有配套的锥形。该壳体14在上部还具有连接部分41，例如与工具配合的六边形部或其他配置以在燃烧室开口内移除和安装该火花塞10。外部壳体14的管状壳体本体具有一内壁或内表面40，该内壁或内表面提供一敞开的空腔42，该敞开的空腔沿着终端和紧固端31，32之间的壳体的长度延伸。一内部下凸缘44从该紧固端32附近的内表面40径向向内延伸以提供一下止动表面46。该内表面40 示出为在终端31附近具有一直径较大部位48以容置该绝缘体12。因此，一环形的上凸缘或肩部50从该直径较大部位48径向向内延伸至空腔42的直径较小部位52。该直径较大部位48从该肩部50向上延伸至一环形的翻折部51，该翻折部径向向内延伸以固定该绝缘体12。该壳体14还可包括一可变形的搭扣区53，该搭扣区53被设计和适合于轴向和径向向外皱缩以应对搭扣区53的加热和在该翻折部51变形之后过大的轴向压缩力的相关情况，以将该壳体14保持在相对于该绝缘体12的固定的轴向位置上并形成在绝缘体12和该壳体14之间的气密密封。垫片，黏结剂，或其他填料或密封膏也可设置于该绝缘体12和该壳体14之间以完善气密密封并改善该火花塞组件10的结构完整性。该壳体14的紧固端32具有一对支脚或凸起部M，该支脚或凸起部大致平行于中心轴17轴向延伸。该凸起部M带有在该凸起部M之间延伸的凹陷表面56并从该壳体14 的直径上对置的相对侧面27，四延伸。该凸起部讨示出为宽度(WP)略大于该接地电极22 的宽度(WG)，该凸起部M从该凹陷表面56轴向延伸一预定的长度以在将该接地电极22连接至该凸起部M的远自由端58之前或之后形成该火花间隙观的所需的轴向平行宽度，下文称为均勻宽度。此外，该凸起部讨的外侧面阳也可与该接地电极22的末端M，25齐平或优选的，如图所示地从该接地电极22的末端M，25径向向外延伸。因此，该外侧面55之间的距离或长度(L)优选略大于该该接地电极22的总长度(1)。该凸起部M被形成为该壳体材料的整体式的延伸件，并可在加工工序中成形，其中，该凹陷表面56被加工成该壳体材料的一端面，从而使得该凸起部M从所产生的凹陷表面56延伸。当然，应该理解，也可用其他工序，例如，激光切割或锻造形成该凸起部M。绝缘体12，可能含有氧化铝或其他合适电绝缘材料，具有指定的绝缘强度，高机械强度，高导热系数和优良的抗热冲击能力，该绝缘体可由湿润的陶瓷粉压模后在足以致密和烧结该陶瓷粉的高温下烧结而成。该绝缘体12具有一细长的本体，该本体带有一环形的外部表面60，该外部表面在上终端或近端62和下远端64之间延伸。该绝缘体12通常为管状或环形的构造，包括一中心孔或通道66，该中心孔或通道在终端或近端62附近的上杆部68和远端64附近的下鼻部70之间纵向延伸。该中心通道66具有变化的横截面直径， 通常在该终端62处或附近最大而在鼻部70处或附近最小，从而大致具有一系列连续的直径变化的管状区段。这些区段包括第一绝缘体区段，该第一绝缘体区段围绕该中心电极组件16的接线端头18的连接延长件。该第一绝缘体区段过渡至最上端的第一绝缘体肩部 72，第一绝缘体肩部72与该壳体14的翻折部51压紧配合并依次过渡至第二绝缘体区段， 该第二绝缘体区段的直径大于该第一绝缘体区段的直径，该第二绝缘体区段容置于壳体14的筒状部分。该第二区段通过第二肩部74过渡至第三绝缘体区段。优选该第三绝缘体区段的直径小于该第二绝缘体区段的直径，并通常小于该第一绝缘体区段的直径。该第三绝缘体区段通过第三绝缘体肩部76过渡至鼻部70，该第三绝缘体肩部与壳体14的下止动表面46邻接。中心电极组件16包括一中心电极78，该中心电极可具有任何合适的形状，在此作为示例而非限制地示出为具有一本体，该本体带有大致圆柱形的外部表面，该外部表面大致在上部终端79和下点火末端80之间延伸，该中心电极还具有一径向外表面，该径向外表面在终端79处弯曲地倾向于或锥变为直径增大的环形的头部。该环形的头部有利于将终端79安置入绝缘体12内并与之密封，而该点火末端80通常轴向延伸至鼻部70外。该中心电极78可由任何合适的传导性材料制成，正如火花塞制造领域所公知的那样，例如各种镍和镍基合金，还可包括涂覆铜的材料或铜基合金芯体材料。该中心电极组件16也可示出为具有直接位于该头部附近的玻璃密封件82，中间弹簧84和位于该接线端头18附近的电阻器/干扰抑制器86。接地电极22连接至该凸起部M以建立预定的固定的火花间隙28。因此，在将该接地电极22连接至该凸起部M之前，该接地电极点火表面沈在相对末端M，25的中间位置连接至该接地电极22的中间部分，如图3所示。该接地电极22被构造为笔直的矩形元件，例如由铬镍铁合金(IncOnel)600制成，该接地电极具有沿着轴17的方向彼此面对的相对表面88，89，而具有沿着垂直于轴17的方向彼此面向的相对侧面90，91。该表面88，89 和侧面90，91围成方形的边界，该边界在末端M，25之间纵向延伸。该接地电极22的长度 1等于或优选为略小于凸起部M的外侧面阳之间的距离L。因此，在将该接地电极22同轴连接在外侧面55之间并至少部分陷入该凸起部的自由端58之后，该凸起部M的外侧面 55从该接地电极22的末端M，25径向向外延伸以围绕至少部分末端对，25。因此，位于该接地电极22径向外部的凸起部M的材料通过限制接地电极在横向上相对于中心轴17的运动而便于将该接地电极22保持在其固定位置上。此外，如前所述，该接地电极22的宽度 WG优选略小于该凸起部M的宽度WP，在将该接地电极22连接至该凸起部M之后，该凸起部讨的材料至少部分沿着接地电极22的侧面90，91延伸并从该侧面90，91向外延伸。因此，该凸起部M的至少部分材料沿着一部分侧面90，91邻接并面对该接地电极22，因此， 该接地电极22的围绕中心轴17的相对于凸起部M的旋转被阻止，从而进一步使点火表面 20,26维持彼此轴向间隔开并同轴对齐的关系。接地电极点火表面沈构造为具有面向中心电极点火表面20的最大的点火面积。 其结果是，很大程度上由于壳体14的相对末端M，25的两端固定有中心电极，从而为点火表面沈处产生的热量提供加强的散热性能。所述散热性能的进一步加强之处在于接地电极22的末端M，25至少部分地被凸起部M的材料所包围。因此，由该点火表面沈的最大表面积产生的增加的热量可以在不考虑该接地电极点火表面26的电腐蚀和化学腐蚀的情况下被消弥。此外，由该接地电极22和该壳体14之间的缩短的热流路径提供的改善的散热性能确保了该点火表面26始终固定于该接地电极22。该点火表面沈的最大的表面积在一个方面受限于接地电极22的宽度WG。因此，点火表面沈的宽度等于或优选略小于接地电极的宽度WG。由于略小于接地电极的宽度WG，一连续的连接件(例如焊接接头)可完全围绕该点火表面26延伸。该点火表面沈的长度受限于接地电极22的长度L，但是，预期的也可使用圆形的点火表面材料，例如铱或铱合金，包括1. 7-2. 3wt%铑(1 )，0. 2-0. 4wt% 钨(W)，0.01-0.03Wt%锆(Zr)以及余量的铱(Ir)。因此，电线的直径被选择为略小于接地电极22的宽度WG。例如，如果接地电极22的宽度WG约3. 8mm,那么点火表面沈的直径可提供为约3. 75mm。该点火表面沈可通过任何合适的连接工序连接至接地电极22的表面 88的其中一个，例如电阻焊接和/或激光焊接。该电阻焊接可穿透点火表面沈进入接地电极22的表面88，例如利用6200-6600安培(amps)的焊接电流焊接约0. 004-0. 008〃，然后采用激光焊接形成围绕点火表面沈整个圆周的周向焊接接头。在连接过程中，该点火表面沈始终位于接地电极22的末端M，25和侧面90，91的中心，而点火表面沈相对于表面 88，89基本平行固定。在构造完成该接地电极组件后，包括将点火表面沈连接至接地电极22后，该接地电极组件可被连接至壳体14。接地电极22的点火表面沈面对中心电极组件16的点火表面20，而接地电极22的相关表面88邻近凸起部M的自由端58。考虑到上述讨论的该接地电极22 (WG，1)和该凸起部M(WP，L)的空间关系，在将接地电极22的表面88设置于该凸起部自由端58之上和之间以后，一部分自由端58邻近该接地电极的侧面90，91和末端M，25向外延伸。然后，根据一个当前优选方法将接地电极组件连接至凸起部M，一部分接地电极22通过电阻焊接工序轴向陷入凸起部M。如图2和图2B所示，在电阻焊接步骤中，该接地电极22沿着中心轴17轴向穿透进入凸起部M的自由端58 —预定的轴向深度，采用6000-7000安培(amps)的电阻焊接电流施加150-250磅(Ibs)的轴向作用力 0.001" -0.003"，如果需要的话，该深度也可以增加。因此，在该电阻焊接步骤中，中心电极和接地电极点火表面20J6预定地紧密地可控地轴向对齐并彼此轴向间隔开以提供所需的成型的均勻的火花间隙观。进一步地，通过采用凸起部M的材料限定接地电极22的末端M，25和侧面90，91，以及通过焊接接头本身，该接地电极22被固定为相对于轴17不能旋转和轴向平移。应该理解，其他将接地电极22连接至凸起部M的方法也可采用。例如，不需要单独通过电阻焊接工序使得接地电极22陷入凸起部M的自由端58，而是预成型为大致U-型的凹口，也被称为凹槽93，例如通过切削或压模，该自由端58和接地电极22可采用其他的连接机构设置并固定于凹槽93内，例如激光焊接和/或点焊，在此作为示例而非限制。因此，在将接地电极22连接至凸起部M之前，该预成型的凹槽93可将接地电极22和其相关的点火表面26与中心电极78的点火表面20同轴并预间隔地设置。进一步地，为了精确建立该间隙观，在形成激光焊接接头之前或同时，不紧密接触的间隔件可插入各中心和接地点火表面20 J6之间。因此，在形成激光焊接接头后再移除该不紧密接触的间隔件，火花间隙观按照预期精确地形成，而不需要额外的工序以建立该间隙的期望宽度。当然，也可将该预成型的凹槽93和将接地电极22陷入凸起部M组合使用。显然，根据上述教导，本发明的各种修改和变化都是可能的。因此，应当理解，在所附权利要求范围内，本发明也可通过除了具体描述以外的方式实现。
权利要求
1.一种火花点火装置，包括 一陶瓷绝缘体；一围绕至少部分所述陶瓷绝缘体的金属壳体，该金属壳体沿着中心轴在上部终端和下部紧固端之间延伸，所述紧固端具有一大致平面的表面和一对彼此径向对置的凸起部，该大致平面的表面垂直于所述中心轴延伸，该凸起部从所述大致平面的表面远离所述终端轴向延伸至自由端；一中心电极组件，该中心电极组件至少部分容置于所述陶瓷绝缘体内；以及一细长的接地电极，该接地电极具有相对的侧面和相对的表面，该相对的侧面沿着所述接地电极的长度在相对末端之间延伸，该相对的表面带有一点火表面，该点火表面连接至所述相对的表面中的一个相对表面，所述一个相对表面轴向陷入所述凸起部的所述自由端，至少一部分所述相对的侧面被所述凸起部包围。
2.如权利要求1所述的火花点火装置，其特征在于，所述凸起部邻接所述接地电极的外周长，所述外周长由所述接地电极的一部分所述相对的侧面和一部分所述相对的末端来界定。
3.如权利要求1所述的火花点火装置，其特征在于，一焊接接头围绕所述外周长延伸。
4.如权利要求3所述的火花点火装置，其特征在于，所述焊接接头为电阻焊接接头。
5.一种制造火花点火装置的方法，包括 提供一陶瓷绝缘体；将具有点火表面的中心电极组件至少部分地设置于该陶瓷绝缘体内； 提供一环形的具有中心轴的金属壳体并形成一对凸起部，该金属壳体在上部终端和下部紧固端之间延伸，该凸起部从该紧固端附近的大致平面的表面轴向延伸至自由端；提供一细长的接地电极，该接地电极具有相对的侧面和相对的表面，该相对的侧面沿着一长度在相对的末端之间延伸，该相对的表面带有点火表面，该点火表面连接至所述相对的表面中的一个相对表面；以及在焊接工序中使接地电极陷入该凸起部的自由端，并使得接地电极的点火表面与中心电极的点火表面预先间隔开，以在其间形成火花间隙。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括，在电阻焊接工序中进行该焊接工序。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括，在该焊接工序过程中形成大致 U-型的凹口，该大致U-型的凹口使接地电极轴向延伸进入该凸起部。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括，在该焊接工序之前形成大致 U-型的凹口，该大致U-型的凹口轴向延伸进入该凸起部。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括，使该接地电极的至少一部分相对侧面陷入该凸起部。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括，使该接地电极的至少一部分相对末端陷入该凸起部。
11.一种制造火花点火装置的方法，包括 提供一陶瓷绝缘体；将具有点火表面的中心电极组件至少部分地设置于该陶瓷绝缘体内；提供一环形的具有中心轴的金属壳体并形成一对凸起部，该金属壳体在上部终端和下部紧固端之间延伸，该凸起部从该紧固端附近的大致平面的表面轴向延伸至自由端；提供一细长的接地电极，该接地电极具有相对的侧面和相对的表面，该相对的侧面沿着一长度在相对末端之间延伸，该相对的表面带有一点火表面，该点火表面连接至所述相对的表面中的一个相对表面；以及通过使接地电极陷入该凸起部的自由端内的大致U-型的凹口将接地电极连接至凸起部，并使接地电极的点火表面与中心电极的点火表面预先间隔开，以在其间形成火花间隙。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括，通过将接地电极电阻焊接至该凸起部形成该大致U-型的凹口。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括，在将该接地电极连接至该凸起部之前，预成型该大致U-型的凹口。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括，在将该接地电极陷入该大致 U-型的凹口之后，将该接地电极焊接至该凸起部。
全文摘要
本发明提供一种火花点火装置及其制造方法。该装置包括一陶瓷绝缘体和一围绕至少部分所述陶瓷绝缘体的金属壳体。该金属壳体沿着中心轴在上部终端和下部紧固端之间延伸。该紧固端具有一对彼此径向对置的凸起部，该凸起部轴向延伸至自由端。一中心电极组件容置于至少部分陶瓷绝缘体内。此外，该装置包括一细长的接地电极，该接地电极具有沿着该接地电极的长度在相对末端之间延伸的相对侧面。该接地电极具有带有点火表面的相对的表面，该点火表面连接至相对的表面中的一个相对表面，其中，该带有且连接有点火表面的相对的表面轴向陷入该凸起部的自由端，至少一部分该相对侧面被该凸起部包围。
文档编号H01T13/02GK102396122SQ201080016578
公开日2012年3月28日 申请日期2010年3月30日 优先权日2009年3月31日
发明者卡琳娜·C·哈弗德, 罗伯特·D·弗里曼 申请人:费德罗-莫格尔点火公司