本專利申請(qǐng)要求2014年8月6日提交的、序列號(hào)為14/452,802的美國(guó)實(shí)用專利申請(qǐng)的權(quán)益，該申請(qǐng)現(xiàn)在是2015年6月9日準(zhǔn)許的第9054502號(hào)美國(guó)專利，所述專利申請(qǐng)的所有內(nèi)容在此通過(guò)引用而并入本文。

發(fā)明背景

1.發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明主要涉及用于內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火器的絕緣體，諸如用于電暈點(diǎn)火器或火花塞的絕緣體，以及形成所述絕緣體的方法。

2.相關(guān)技術(shù)

在內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用中使用的點(diǎn)火裝置，諸如電暈點(diǎn)火器和火花塞，包括包圍中心電極的絕緣體，絕緣體典型地由陶瓷材料形成，諸如能夠承受在內(nèi)燃機(jī)燃燒室中遇到的高溫的氧化鋁。然而，點(diǎn)火裝置的性能會(huì)受到陶瓷絕緣體的限制。例如，在電暈點(diǎn)火器中，當(dāng)絕緣體由相對(duì)介電常數(shù)為10到10.5的氧化鋁陶瓷形成時(shí)，電效率由于電損耗而受到限制。這些電損耗是由于存儲(chǔ)在氧化鋁陶瓷中的電荷造成的，所述電荷典型地具有約15微微法的電容值。如果絕緣體由相對(duì)介電常數(shù)約為5的材料制成，諸如聚四氟乙烯(PTFE)，則電暈點(diǎn)火器的電效率可以提高約50％。然而，PTFE不能承受內(nèi)燃機(jī)的高溫，因此仍然優(yōu)選陶瓷材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一方面提供一種用于諸如電暈點(diǎn)火器或火花塞的點(diǎn)火裝置的絕緣體，該絕緣體提供改進(jìn)的電效率并且能夠承受內(nèi)燃機(jī)中的高溫。絕緣體包括陶瓷材料，基于陶瓷材料的總重量，其包括含量為28到38wt.％的氧化鋁；含量為57到67wt.％的二氧化硅；以及含量為3到7wt.％的氧化鈣。

本發(fā)明的另一方面提供一種制造用于點(diǎn)火裝置的絕緣體的方法。該方法包括烘烤高嶺土與以下至少一項(xiàng)的混合物：a)碳酸鈣和二氧化硅；b)硅酸鈣；以及c)硫酸鈣和二氧化硅。

附圖說(shuō)明

當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，參照以下的詳細(xì)說(shuō)明可以更好地理解本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)，所以將很容易地看到本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)，在附圖中：

圖1是按照本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的、包括改進(jìn)的絕緣體的電暈點(diǎn)火器的截面圖；以及

圖2是按照本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例的、包括改進(jìn)的絕緣體的火花塞的截面圖。

具體實(shí)施方式

參照附圖，其中在幾個(gè)圖中，相同的標(biāo)號(hào)表示對(duì)應(yīng)的部件，圖上大致顯示了用于點(diǎn)火裝置22，122(諸如電暈點(diǎn)火器和火花塞)的絕緣體20，120。絕緣體20，120由包括鈣鋁硅酸鹽玻璃和莫來(lái)石晶體的陶瓷材料制成，二者都具有低的相對(duì)介電常數(shù)。陶瓷材料的總體相對(duì)介電常數(shù)約為5.5到6.5，因此絕緣體20，120存儲(chǔ)較少的電容電荷，與典型地被用來(lái)形成點(diǎn)火裝置的絕緣體的氧化鋁和其他陶瓷材料相比，提供了改進(jìn)的電效率。絕緣體20，120還能夠承受900到1000℃的溫度，并且具有優(yōu)良的抗熱沖擊性，使其適于在內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用中使用。

在烘烤陶瓷材料之后，基于陶瓷材料的總重量，絕緣體20，120的陶瓷材料包括：含量為28到38重量百分比(wt.％)的氧化鋁；含量為57到67wt.％的二氧化硅；和含量為3到7wt.％的氧化鈣。在優(yōu)選的示例性實(shí)施例中，在烘烤之后，基于陶瓷材料的總重量，氧化鋁以33wt.％的含量存在，二氧化硅以62wt.％的含量存在，并且氧化鈣以5wt.％的含量存在。

用來(lái)形成絕緣體20，120的陶瓷材料可包括少量的其它成分。然而，陶瓷材料優(yōu)選不含結(jié)晶二氧化硅，以便實(shí)現(xiàn)足以在內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用中使用的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱沖擊性。在烘烤之后，基于陶瓷材料的總重量，陶瓷材料優(yōu)選包括含量為0wt.％的結(jié)晶二氧化硅，但可包括含量高達(dá)2wt.％的結(jié)晶二氧化硅。陶瓷材料還優(yōu)選不含堿金屬或其氧化物，諸如氧化鈉或氧化鉀，以便防止介質(zhì)損耗和提高導(dǎo)電率。堿金屬可在元素周期表的第1組中找到，它由化學(xué)元素鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、銣(Rb)、銫(Cs)和鈁(Fr)組成。在烘烤之后，基于陶瓷材料的總重量，陶瓷材料優(yōu)選包括含量為0wt.％的堿金屬或其氧化物，但可包括含量高達(dá)2wt.％的堿金屬或其氧化物。

在示例性實(shí)施例中，整個(gè)絕緣體20，120都由上述陶瓷材料組成，或基本上由上述陶瓷材料組成。然而，替換地，絕緣體20，120的絕大部分可由上述陶瓷材料組成，或基本上由上述陶瓷材料組成，而絕緣體20的較小部分由其他材料制成。在再一個(gè)實(shí)施例中，絕緣體20包括陶瓷材料，但不到一半的絕緣體20由陶瓷材料組成，或基本上由陶瓷材料組成。

本發(fā)明的另一個(gè)方面提供包括改進(jìn)的絕緣體20，120的點(diǎn)火裝置22，122。在圖1的示例性實(shí)施例中，點(diǎn)火裝置22是電暈點(diǎn)火器。電暈點(diǎn)火器可包括各種不同的設(shè)計(jì)。然而，在圖1的示例性電暈點(diǎn)火器中，絕緣體20從絕緣體上端24沿中心軸A縱向延伸到絕緣體突出端26。絕緣體20還限定圍繞孔的絕緣體內(nèi)表面28，該孔從絕緣體上端24縱向延伸到絕緣體突出端26，用于接納中心電極30。絕緣體內(nèi)表面28限定絕緣體內(nèi)徑Di，該內(nèi)徑延伸穿過(guò)且垂直于中心軸A。絕緣體內(nèi)徑Di典型地隨著朝絕緣體突出端26前進(jìn)而沿絕緣體20的一部分減小，用于支持中心電極30的一部分。

本示例性實(shí)施例的絕緣體20還限定延伸穿過(guò)且垂直于中心軸A的、具有絕緣體外徑Do的絕緣體外表面32。絕緣體外表面32從絕緣體上端24縱向延伸到絕緣體突出端26。在示例性實(shí)施例中，絕緣體外徑Do隨著朝絕緣體突出端26前進(jìn)而沿絕緣體20的靠近絕緣體突出端26的部分減小，以限定絕緣體突出區(qū)域34。絕緣體外徑Do還在與絕緣體突出區(qū)域34間隔開(kāi)的位置處，大約在絕緣體20的中部處，沿朝絕緣體突出端26前進(jìn)的方向減小，以便限定絕緣體下肩部36。絕緣體外徑Do還在與絕緣體下肩部36間隔開(kāi)的位置處，沿絕緣體20的、朝絕緣體上端24前進(jìn)的部分減小，以便限定絕緣體上肩部38。

電暈點(diǎn)火器的中心電極30由導(dǎo)電材料制成，并且被放置在絕緣體20的孔中。中心電極30具有沿中心軸A從末端40延伸到點(diǎn)火端42的長(zhǎng)度L，其中中心電極30的大部分長(zhǎng)度L被絕緣體20包圍。在示例性實(shí)施例中，中心電極30包括在點(diǎn)火端42處的點(diǎn)火尖端44。點(diǎn)火尖端44具有多個(gè)分支，每個(gè)分支從中心軸A徑向向外延伸，用于提供電暈放電。

電暈點(diǎn)火器典型地還包括端子48，它布置在絕緣體20的孔中并接合中心電極30的末端40。密封50則布置在中心電極30的末端40處，并且圍繞端子48的一部分，從而填充孔的一部分。由金屬制成的外殼52典型地包圍絕緣體20的一部分，并將絕緣體20連接到內(nèi)燃機(jī)的氣缸體(未示出)。外殼52沿中心軸A從外殼上端54延伸到外殼下端56。外殼上端54布置在絕緣體上肩部38與絕緣體上端24之間，并且接合絕緣體20。外殼下端56布置成靠近絕緣體突出區(qū)域34，從而至少一部分的絕緣體突出區(qū)域34沿軸向延伸到外殼下端56之外。

在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，如圖2所示，包括改進(jìn)的絕緣體120的點(diǎn)火裝置122是火花塞。在這個(gè)示例性實(shí)施例中，絕緣體120從絕緣體上端124沿中心軸A縱向延伸到絕緣體突出端126。絕緣體120還限定圍繞孔的絕緣體內(nèi)表面128，該孔從絕緣體上端124縱向延伸到絕緣體突出端126，用來(lái)接納中心電極130。絕緣體內(nèi)表面128限定絕緣體內(nèi)徑Di，該內(nèi)徑延伸穿過(guò)并垂直于中心軸A，并且隨著朝絕緣體突出端126前進(jìn)而沿絕緣體120的一部分減小，用于支撐中心電極30的一部分。

本示例性實(shí)施例的絕緣體120還包括延伸穿過(guò)且垂直于中心軸A的、具有絕緣體外徑Do的絕緣體外表面132。絕緣體外表面132從絕緣體上端124沿縱向延伸到絕緣體突出端126，并且絕緣體外徑Do隨著朝向絕緣體突出端126前進(jìn)而沿靠近絕緣體突出端126的、絕緣體120的一部分減小，以限定絕緣體突出區(qū)域134。絕緣體外徑Do還在與絕緣體突出區(qū)域134間隔開(kāi)的位置處，大約在絕緣體20的中部處，沿朝絕緣體突出端26前進(jìn)的方向減小，以限定絕緣體下肩部136，以及在與絕緣體下肩部136間隔開(kāi)的位置處，隨著朝絕緣體上端124前進(jìn)而沿絕緣體120的一部分減小，以便限定絕緣體上肩部138。

火花塞的中心電極130也由導(dǎo)電材料形成，并被置于絕緣體120的孔中。中心電極130具有沿中心軸A從末端140延伸到點(diǎn)火端142長(zhǎng)度L，并且長(zhǎng)度L的大部分被絕緣體120包圍。不像電暈點(diǎn)火器的中心電極30，火花塞的中心電極130包括在點(diǎn)火端142處的中心點(diǎn)火表面160，用于提供火花。該中心電極130可包括點(diǎn)火尖端(未示出)，形成所述點(diǎn)火尖端的導(dǎo)電材料比形成中心電極130其它部分的材料更持久。

火花塞典型地還包括布置在絕緣體120的孔中且連接到中心電極130的末端140的端子148。密封150填充絕緣體120的孔的一部分，并且將中心電極130的末端140連接到端子148。金屬外殼152沿中心軸A從外殼上端154延伸到外殼下端156，并且包圍絕緣體120的一部分。在本示例性實(shí)施例中，外殼上端154布置在絕緣體上肩部138與絕緣體上端124之間，并且接合絕緣體120，外殼下端156布置成靠近絕緣體突出區(qū)域134，以使絕緣體突出區(qū)域134的至少一部分沿軸向延伸到外殼下端156之外。

火花塞還包括由導(dǎo)電材料制成的接地電極158，如圖2所示。接地電極158從外殼下端156向中心電極130延伸。接地電極158包括面向中心點(diǎn)火表面160的接地點(diǎn)火表面162，以提供點(diǎn)火表面160，162之間的火花隙。

本發(fā)明的另一方面提供制造在諸如電暈點(diǎn)火器或火花塞的點(diǎn)火裝置22，122中使用的絕緣體20，120的方法。該方法包括烘烤高嶺土(Al₂Si₂O₅(OH)₄)、碳酸鈣(CaCO₃)、二氧化硅(SiO₂)、硅酸鈣(Ca₂SiO₄)和/或硫酸鈣(CaSO₄)的混合物。部分高嶺土(Al₂Si₂O₅(OH)₄)可以用煅燒高嶺土(Al₂Si₂O₇)替換，通過(guò)把高嶺土加熱到超過(guò)約700℃的溫度，由此通過(guò)移去化學(xué)鍵合水(chemically bonded water)把高嶺土轉(zhuǎn)換成元高嶺土而被制成煅燒高嶺土。該方法產(chǎn)生上述材料，該材料包括鈣鋁硅酸鹽玻璃和莫來(lái)石晶體的混合物?；诤婵竞筇沾刹牧系目傊亓?，陶瓷材料的組分包括含量為28到38wt.％的氧化鋁，含量為57到67wt.％的二氧化硅，以及含量為3到7wt.％的氧化鈣。

方法典型地包括烘烤高嶺土、碳酸鈣和二氧化硅的混合物，在這種情形下，碳酸鈣和得到的氧化鈣在烘烤期間起到助熔劑的作用。替換地，方法可以包括烘烤高嶺土和硅酸鈣的混合物；和/或烘烤高嶺土、硫酸鈣和二氧化硅的混合物。

顯然，鑒于以上教導(dǎo)，本發(fā)明的許多修正方案和變形例都是可能的，這許多修正方案和變例可以不同于這里具體地描述的那樣被實(shí)踐，但仍在以下權(quán)利要求的范圍內(nèi)。