带双金属铆钉的电晕点火器点火端电极头及其制造方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年8月28日提交的美国临时申请序列号62/550,970和2018年8月27日提交的美国实用申请序列号16/113,177的权益，其全部内容通过引用合并于此。

发明背景

1.技术领域

本发明总体涉及电晕点火组件，以及制造电晕点火组件的方法。

2.相关技术

电晕放电点火系统提供交流电压和电流，快速连续地反转高和低电势电极，这增强了电晕放电的形成并最小化了形成电弧的可能。该系统通常包括变压器，该变压器从电源接收直流电形式的能量，放大电压并减小电流，然后将交流电形式的能量导向电晕点火器的中央电极。中心电极被充电至高射频电压电位，并在燃烧室中产生强射频电场。电场使燃烧室内的一部分燃料和空气混合物电离并开始介质击穿，从而促进燃料-空气混合物的燃烧，这被称为点火事件。优选地，控制电场使得燃料-空气混合物保持介电性质并且发生电晕放电，也称为非热等离子体。燃料-空气混合物的电离部分形成火焰前锋，然后自我维持并燃烧燃料-空气混合物的其余部分。优选地，控制电场使得燃料-空气混合物不会失去所有的介电特性，这将在电极与接地的气缸壁、活塞、金属壳或点火器的其他部分之间产生热等离子体和电弧。弗里恩(freen)的美国专利号6,883,507中公开了一种电晕放电点火系统的例子。

电晕点火系统的点火器可以在中心电极的点火端包括点火尖端。点火尖端包括产生电晕放电的多个边缘。由于在电晕产生边缘处的电和热化学作用，点火尖端的边缘易于腐蚀和侵蚀。电极点火尖端的远端由于热循环、其在腔室中的位置以及作为主要的电晕形成特征，最容易受到腐蚀和侵蚀。某些金属比其他金属更容易遭受这种磨损。由于电晕的形成取决于尖锐的几何形状所产生的电场，因此点火尖端的边缘和远端的磨损或变圆会导致点火器性能随时间下降。这会给电气系统为保持性能水平带来更多压力。点火尖端的变圆和磨损也对边缘和远端的电晕形成产生负面影响，并且某些燃烧策略变得难以实现。

技术实现要素：

本发明的一个方面提供了一种用于电晕点火器的点火尖端。该点火尖端包括由金属形成的基部和至少一个铆钉。该基部包括至少一个凹陷部，每个铆钉设置在基部的凹陷部之一中。该至少一个铆钉包括至少一种贵金属，并且其熔点和/或耐磨性高于基部。

本发明的另一方面提供了一种电晕点火器。该电晕点火器包括由导电材料形成并包括点火端的中心电极。该点火尖端布置在中心电极的点火端上。点火尖端包括由金属形成的基部和至少一个铆钉。该基部包括至少一个凹陷部，每个铆钉设置在基部的凹陷部之一中。该至少一个铆钉包括至少一种贵金属，并且其熔点和/或耐磨性高于基部。

本发明的另一方面提供了一种制造点火尖端的方法。该方法包括以下步骤：提供由金属形成并包括至少一个凹陷部的基部，以及在该基部的一个凹陷部中设置至少一个铆钉。该至少一个铆钉包括至少一种贵金属，并且其熔点和/或耐磨性高于基部。

本发明的另一方面提供了一种制造电晕点火器的方法。该方法包括以下步骤：提供由导电材料形成并包括点火端的中心电极；并在中心电极的点火端上设置点火尖端。该点火尖端包括由金属形成的基部并且包括至少一个凹陷部。点火尖端还包括至少一个铆钉。每个铆钉设置在基部的一个凹陷部中。该至少一个铆钉由至少一种贵金属形成，并且其熔点和/或耐磨性高于基部。

附图简要说明

正如本发明当结合附图考虑以下详细描述时，将更好地理解，本发明的其他优点将容易理解，其中：

图1是电晕点火器的剖视图，该电晕点火器可以包括根据本发明的实施方式制造的点火尖端；

图2是根据第一示例实施例的点火尖端的仰视图；

图3是根据第二示例实施例的点火尖端的仰视图；

图4包括图2和图3的点火尖端的铆钉的放大图；

图5a-5c包括根据另一示例实施例的点火尖端的仰视图和两个侧视图；以及

图6示出了根据另一示例实施例的点火尖端，其完全由贵金属形成。

具体实施方式

本发明提供了一种电晕点火器20，该电晕点火器20包括可以在内燃机中使用的改进的点火尖端22。在图1中示出了电晕点火器20的示例，并且在图2-5中示出了点火尖端22的示例。本发明还提供了用于电晕点火器20的点火尖端22、制造电晕点火器20的方法以及制造点火尖端22的方法。

如图1所示，点火尖端22通常在点火端26处连接到中心电极24。中心电极24由导电材料形成以接收高射频电压并发射射频电场从而使燃料空气混合物电离并提供电晕放电。在示例实施例中，中心电极24从接收高射频电压的电极端子端28延伸到点火端26。由电绝缘材料形成的绝缘体30设置在中心电极24周围。导电金属材料形成的壳体32围绕绝缘体30布置。

在图2-4的实施例中，点火尖端22包括至少一个附接到基部36的多件式铆钉34。通常，点火尖端22包括多个铆钉34，例如，四个铆钉34，其彼此相等地间隔开并且围绕点火尖端22的纵向轴线对称地定位。然而，铆钉34可以关于纵向轴线不对称。每个铆钉34包括至少一个连接到第二部分40的第一部分38。该第一部分38由贵金属和/或贵金属合金形成。已知某些贵金属和合金的磨损要小于其他金属。第二部分40通常由镍或镍合金形成，然而，可以由另一种金属形成，例如熔点和/或耐磨性低于贵金属第一部分38的另一种金属。更具体地，通常用于形成第二部分40或铆钉34的焊接端的镍或镍合金的磨损性能与由铱合金或其他贵金属形成的第一部分38或放电端的不相似，并且通常明显更差。

点火尖端22的基部36通常也由镍或镍合金形成，然而，可以由另一种金属形成，例如熔点和/或耐磨性低于贵金属第一部分38的另一种金属。贵金属的第一部分38或铆钉34的放电端与第二部分40或焊接端相比通常尺寸较小。其上附接有铆钉34的基部36可以被成形、冲压或激光/水射流切割，但是通常不被烧结。

通过在关键位置使用上述不同类型的金属，可以减少点火尖端22的整体磨损。通常，贵金属不容易附着在镍或镍合金上，例如电极头的基部，因为高熔点导致焊接能力低。但是，铆钉34的贵金属形成的第一部分38可以通过激光焊接的对焊接头42连接到第二部分40。铆钉34的第二部分40(通常是镍合金)然后连接到基部36(其通常也是镍合金)。将镍合金形成的第二部分40焊接到基部36，具有成本低并且易于焊接的优点。与第二部分40相比，第一部分38(例如铱合金端部)具有更好的耐磨性和更好的传热系数。由于铆钉34的总体积中具有较高百分比的通常是镍合金，因此点火尖端22的成本相比于其他点火尖端22设计显著降低。此外，铆钉34的第一部分38可以被削尖至一个点或被斜切以增强电晕的形成。每个铆钉24的端部也可以在三个维度上制成锐利的，或者制成三维地锐利。由于更好的磨损特性，这些尖端将更长久地保持这种形状，从而降低输入电压以操作系统，并在通常难以用圆形点火端点燃的燃烧尖端实现电晕点火。另外，将锐利的尖端22附接到基部36并非易事，并且通常涉及微机械加工和复杂的制造过程，这反过来增加了点火端的成本。然而，由于本文讨论的成本有效的方法，减少了这些成本和复杂性。

图2示出了第一示例性实施例，图3示出了第二示例性实施例。根据这些实施例，点火尖端22包括附接到基部36的四个铆钉34。铆钉34由两种金属制成。铆钉34的第一部分38(也称为贵金属部或放电端)通常比第二部分40(也称为基础金属或焊接端)尺寸小。在这种情况下，第一部分38由贵金属，特别是铱21形成，第二部分40由镍合金，特别是镍铬形成。

通过提供用于形成第一部分38的第一细长材料和用于形成第二部分40的第二细长材料来组装第一和第二示例实施例的每个铆钉34。该细长材料可具有圆柱形状，例如电线或杆的形状，其中圆柱的长度比直径长。然后将两种细长的材料接合并切断以形成点火尖端22的铆钉34中的一个。在该示例性实施例中，由两种不同的金属形成的第一部分38和第二部分40通过焊接，特别是激光对焊接头42附接。如图2-4所示，第一部分38的一端可以被焊接到第二部分40的一端。然而，可以使用其他方法将第一部分38连接到第二部分40。在图2的第一示例实施例中，由第一部分38提供的铆钉34的远端44保持未锐化的圆柱形状。在图3的第二示例性实施例中，贵金属形成的第一部分38的远端被锐化至锥角在20度至60度之间的尖刃。该端部可以为三维锐利。锐利的远端在保持锐度的同时提供均匀的磨损。图4中示出了图2和3的铆钉34的放大图。

在第一和第二示例性实施例中，点火尖端22的基部通常由低成本、高焊接性能、中等耐磨性的金属或金属合金制成。例如，基部通常具有比贵金属形成的第一部分38低的耐磨性。如图2和3所示，基部被设计为具有多个铆钉接纳延伸部46。这些延伸部46具有凹陷部48，铆钉34可以被放置并附接在该凹陷部处。铆钉34具有通常为凸形的外表面，并且凹陷部48呈现凹入的表面并且与铆钉34的形状相匹配。铆钉34的第二部分40通常通过焊接附接至基部，但是可以通过另一种方法连接。延伸部46可以围绕点火尖端22的纵向轴线对称或不对称。包括基部和铆钉34的点火尖端22然后通过焊接或另一方法附接到中心电极24的点火端26。然而，铆钉34没有插入点火尖端的孔中。基部和焊接的铆钉34沿相同方向一起被卷边和弯曲，从而铆钉接纳延伸部46和铆钉34通常以15至45度之间的角度向下延伸。

图5a-5c还示出了另一种可能的设计。在这种情况下，铆钉34是完全由诸如铂、铂合金、铱或铱合金的贵金属制成的单体件。点火尖端22包括四个铆钉34，并且铆钉34附接到基部。基部由具有熔点和/或耐磨性比贵金属低的材料片(例如镍或镍合金)冲压而成，并且包括彼此均匀间隔开的四个铆钉接纳延伸部46。每个铆钉接纳延伸部46包括用于保持其中一个铆钉34的凹陷部48，并且每个铆钉34被焊接到其中一个凹陷部48。铆钉34具有通常是凸形的外表面，并且凹陷部48呈现凹入的表面并与铆钉34的形状匹配。基部和焊接的铆钉34一起被卷边和弯曲，使得铆钉容纳延伸部46和铆钉34通常以15至45度之间的角度向下延伸。这些铆钉34的端部也可以为三维锐利。

如上所述，本文描述的实施例提供了许多优点。通过使用安装在基部36上的多个两件式铆钉34，在中心电极24的点火端26上产生点火尖端22，实现了许多优点。单个铆钉34可包括激光对焊焊接镍合金丝和铱合金丝以形成第一和第二部分40。镍形成的第二金属部分40提供对基部36的高焊接性能，铱形成的第一金属部分38对恶劣的燃烧环境具有高的耐磨性，从而具有更长的使用寿命。此外，可以将铆钉34的铱形成的第一部分38制造成期望的有助于提高性能和效率的锐度。

根据另一个实施例，点火尖端22完全由贵金属制成，例如铂、铂合金、铱或铱合金。点火尖端22包括至少一个具有尖锐末端的尖头52。图6示出了完全由贵金属制成的点火尖端22的示例。根据该实施例，点火尖端22包括四个尖头52，并且每个尖头52的端部被削尖至点。每个尖头52可以为三维锐利。

显然，根据以上教导，可以对本发明进行许多修改和变型，并且可以在权利要求书的范围内以不同于具体描述的方式来实践本发明。可以预期，所描述的所有特征以及所有实施例的所有特征可以彼此组合，只要这些组合不会彼此抵触。