CN1369124A - 具有同心排列双环接地电极的火花塞制造方法 - Google Patents

Abstract

一种内燃机用火花塞的制造方法,该火花塞设有一永久附接于火花塞基座的双环接地电极(10)。其中设有朝下延伸的屏蔽与定心凸缘(22)的一个圈(24)焊接于火花塞基座,而另一个圈(15)由一支或多支固定脚(32)支承而与前一环圈分隔,并位于火花塞中心电极上方,利用一准直工具(50)而与火花塞中心电极之轴线同心。

Description

具有同心排列双环接地电极的火花塞制造方法

技术领域

本发明涉及一种新的改进的制造方法，用以制造内燃机中使用的火花塞。本发明特别涉及一种将接地电极接设于火花塞基座的方法。在本发明的一个实施例中，包括一环圈或一环形片内部开孔，相对一中心电极以同心方式安排在火花塞的金属壳体上。在本发明另一实施例中，包括一环圈或一环形片内部开孔，相对一点火表面上包含不同贵金属的中心电极，以同心方式安排在火花塞金属壳体上。

背景技术

目前广泛使用的工业用内燃机火花塞，其特征为火花塞基座内具有一中心电极，中心电极有一外露端，并与一接地电极彼此分离。接地电极通常为一“L”形的单一臂，熔接于火花塞的一边缘，并大致以直角朝中心电极弯曲。虽然这些火花塞可完成其原定功能，但业已确定其设计实质上有损于内燃机燃烧室中的完全燃烧等容加热循环(complete bum Otto cycle)，因而导致火花塞零件过热、不完全燃烧、及燃烧室中产生多种氮氧化物。

火花塞是内燃机中用以确保适当引擎效能的重要组件。火花塞包括一设有螺纹以便安装在内燃机中的金属外壳、一个从外壳延伸的接地电极、一个由外壳承托的绝缘体(通常使用陶磁材料制造)。绝缘体内设一中心电极，其一端从绝缘体末端突出，并限定其与接地电极间的预定间隙。当火花塞点火后，即产生火花越过此间隙。近来，火花塞的设计并包括一个贵金属(白金或白金合金)制成的细针头，显著改进了内燃机效能并显著增加火花塞的寿命。当与不含白金点火头的火花塞比较时，白金细针头火花塞可改善内燃机的冷起动、加速、及燃料燃烧效率，并可具有高达100,000英哩(mile)的使用寿命。

关于接地电极设计的之改进，包括美国专利5,280,214、5,430,346、4,268,774号等，都以参照方式加入本文说明。在这些接地电极的一个较佳实施例中，包括接设在一个或多个整体固定柱一端的环形点火表面。每一整体固定柱的另端则接设于一个固定环。该固定环进而座落在火花塞底端的安装表面上。连接这些接地电极与火花塞底端的已知方法中，包括取消固定环，并将固定柱的另端直接定位点焊在火花塞底端的边缘；或者将火花塞底端的肩部上方延伸的多个金属表面弯曲，以使固定环产生褶皱而固紧于火花塞底端。事实证明这些制造方法既费时又昂贵，且导致火花塞效率不高与使用寿命降低，不能成为获得最佳内燃机效率与输出的整体重要装置。

发明内容

本发明说明一种内燃机用火花塞的制造方法。具体而言，本发明所述方法尤其有助于将一呈同心排列的接地电极附接于火花塞基座。

双环接地电极是利用直径总是比顶环较大的底环，永久性地附接于火花塞基座。使用一焊接设备将底环旋转焊接于火花塞基座，同时使用一准直工具对准双环接地电极与火花塞基座。沿底环的下缘环设一凸缘，以防熔接点(焊缝)损伤火花塞内部。

本发明的目的，是针对接设于火花塞绝缘器内金属边缘上的现有接地电极头的制造方法，提供工艺(process)改进。此方法可在中心电极被插入并密封于火花塞本体之前或之后执行。此处详细说明的方法是用于中心电极已插入并密封于火花塞本体之后的附接。二者唯一的差异在于，若在接地电极头已附接到火花塞本体后才插入与密封中心电极时，必须同时进行对准。

图式简单说明

图1为现有技术的三柱式接地电极头；

图2为另一种现有技术的二脚式接地电极头实施例；

图3为本发明方法中使用的增强型三柱式接地电极立体外观图；

图4为一标准火花塞本体的立视图，其中未含接地电极；

图5为图3所示接地电极的一变体的立体外观图，其中的顶环具有倒角的底缘；

图6为图3所示接地电极的倒转立体外观图，其中顶环的下表面有一白金轴套；

图7示出本发明的制造方法，利用气体保护钨极电弧焊连接装置，以人工装载/卸载方法连接图3的增强型接地电极头与火花塞；

图8示出本发明的制造方法，利用气体保护钨极电弧焊连接装置，加入自动装载/卸载方法，连接图3的增强型接地电极头与火花塞；

图9示出本发明的制造方法，利用激光连接装置，以人工装载/卸载方法连接图3的接地电极头与火花塞；

图10为一俯视图，示出图9所示制造方法，利用激光连接连接装置，加入自动装载/卸载方法，连接图3的接地电极头与火花塞；

图11示出本发明的制造方法，利用等离子体连接装置，以人工装载/卸载方法连接图3的接地电极头与火花塞；以及

图12示出本发明的制造方法，利用等离子体连接装置，加入自动装载/卸载方法，连接图3的增强型接地电极头与火花塞。

实施本发明的最佳方式

请参照图1与图2，其中示出二种现有技术的接地电极头。如图3所示的改进的接地电极，用在本发明的方法中，其中的接地电极与一中心电极以同心方式排列，而该接地电极可以有三个至多个沿360度间隔而非成连续的固定柱。

图1示出如美国专利5,280,214及5,430,346号中包含的接地电极头；图2示出同样的电极，但其所有非点火表面的转角均加设圆弧半径(radii)。这些圆弧半径可以变化，从0.001英寸至特定截面厚度的一半。底环与顶环以及固定柱的截面厚度，可视特定应用而改变。圆弧半径可产生平滑的过渡表面，它们对持续燃烧期间发展的“热点”，远不那么敏感。“热点”是内燃机中主要的提前点火源，而提前点火会造成内燃机组件的过早磨损、应力及故障。传统的“L”形接地电极并无位于转角表面的圆弧半径。位于非点火表面上的圆弧半径大幅降低提前点火的可能性。此外，消除所有非点火表面上的尖锐转角，也降低火花塞点燃错误表面的可能性。

请参照图3，双环接地电极10于其点火表面上(位于顶环16内孔14的内侧缘)具有尖锐转角12。如此可提供必要的几何形状使火花塞沿整个顶环16达到最佳的点火。此外，非点火表面上的圆弧半径18改进结构刚性并降低应力集中数。温度增加时，应力集中会造成不规则的膨胀移动。柱式固定的设计本质亦使火焰发展期间的气体混合更为骚动，有助于更完整的混合气燃烧。在另一设计中，边缘12可如图5所示形成倒角13，以增加火花燃烧之表面积。

本发明的火花塞头10制造方法与众不同。常规的接地电极是用挤制的金属线卷(wire roll)制成的。金属线经过切割、焊接，然后成型以产生间隙。这种制法具有随机性，因为金属线的成型会降低金属的内应力，造成与所要最佳条件间的实质差异。使用常规制造方法时，很难确保准确而可重复形成的规律间隙。此外，在内燃机的燃烧条件下，燃烧室的温度使间隙的改变与金属的膨胀系数成函数。制造火花塞期间因弯曲作业产生的内应力温降，会造成接地电极其它无法预测的移动。由于常规用的接地电极仅用单一位置支撑，膨胀期间的移动具有若干自由度，因此允许随机移动，损及所要的火花塞平行度与间隙。使用火花塞头10时，制造方法可简化为几何形零件成品的单一连接步骤。火花塞头10是用金属射出成型、烧结、压铸或冲压的方法制造，而金属射出成型是较佳的方法。一旦完成模制的零件，火花塞头10不论在连接到火花塞本体20之前或之后，都不再需要其它处理。因为模制的零件随时可供连接，所以可消除因二次作业造成的金属内应力与强度降低。由于火花塞头10的几何形状与对称性，因此可控制燃烧期间的热膨胀，基本上并可限制移动自由度在一个方向。如此有助于确保较佳的准直与间隙控制，增进所有操作范围内的火花塞性能。位于火花塞本体20上的火花塞头10是唯一真正的、可维修的、于厂内形成间隙的火花塞头。常规的与多重电极火花塞，以及燃烧表面上有白金的火花塞，都声称有厂内预设定的间隙。然而，若L形末端燃烧时，即使是微小的燃烧(诸如安装在一引擎内时)，也可能损及间隙。但使用火花塞头10时，不会有这种情况。由于其有三个固定柱32支撑，所以火花塞头上需要相当大的打击力才会明显改变间隙。

火花塞头10的独特性在于，它与进入燃烧室的燃料混合气间的接触获得改进，并在高压条件下提供较佳的火花递降抗力。如图3所示，顶环16中间之内孔14提供直接路径让燃料抵达火花，恰与常规L形接地电极在许多情况中遮断气体与火花的情况相反。如此可缩短开始燃烧的滞后时间，容许混合气更完整的燃烧，因而有助于改善燃料利用与排气。燃料混合物并不必环绕电极才能起始燃烧。由于火花塞头10的轮廓，即使在高压缩压力的条件下，亦可确实出现火花，在顶环16之燃烧表面15的边缘12下方往上移动。由于有无限的潜在燃烧路径数(常规电极通常只有一个燃烧路径)，所以火花熄灭的潜在性极度降低。燃烧表面15亦可加设一白金轴套17(见图6)。

请继续参照图3。火花塞头10还有另一特征，即位于底环26下表面24下方的定心/屏蔽凸缘22。凸缘22有二个作用。第一，它在制造期间提供火花塞头10相对火花塞本体的圆心对中(亦即定心)，这对火花塞头10发挥适当功能是极为重要的。第二，凸缘22防止熔化的金属在制造过程期间喷溅到火花塞20的中心电极28而对火花塞成品操作造成严重的影响。此外，在激光熔接期间，凸缘22也提供同样重要的功能，亦即屏蔽火花塞本体20的中心电极28与瓷壳30，使之免于杂散辐射。初期测试显示，凸缘22与火花塞本体20间即使只有极微的间隙，也会允许激光束抵达与损伤中心电极28。以凸缘22作为增强手段，不但有前述屏蔽功能，亦可防止小间隙构成火花塞本体20的致命伤。凸缘22允许火花塞头10与火花塞本体20的组装获得更高的制造产出量。此外，增强型火花塞头10上的连续底环26，使火花塞头10与火花塞本体20于连接时较少发生局部性热积聚。如此可提供均衡的电阻路径而增强功能，因此可将不利整体效能的点传导减到最小。

火花塞头10与火花塞本体20的连接方法也是独特的。常规L形及多重L形电极与火花塞本体20连接时，是切割金属线电极并将其熔焊到火花塞的一侧或数侧，然后弯曲金属线以达到所要的间隙。接地电极10的双环架构使它可用一种显然与其它常规火花塞不同的连接方法。由于具有连续性底环26的结构，所以火花塞头10可经由连续焊接而连接。焊接接合的强度更高于标准电极，并有助于平衡热与电阻传导路径。此种熔接可均化底环26周围的热传导，提供从固定柱32往上至顶环16的均衡热阻与电阻，因此也降低前述“热点”的可能性。通过消除热梯度与电阻梯度，因此不会产生任何可能负面影响点火倾向的不利传导路径。

增强型火花塞头10的熔接可经由数种方式达到。图7-12说明火花塞头10与火花塞本体20的较佳连接方法。虽然本文仅说明气体保护钨极电弧焊、激光、与等离子体熔接，但是亦可采用任何标准的或改进的焊接方法达到火花塞头10与火花塞本体20的连接。

图7示出利用气体保护钨极电弧焊(Gas-Tungsten Arc Welding，GTAW)的连接法。此种方法更常称为TIG(Tungsten-Inert Gas，惰性气体保护钨极焊)。在此种方法的较佳实施例中，使用人工或自动循环的轨道焊接机34，但也可使用一种利用零件旋转机构的固定式焊接头。在轨道焊接机34中，有一轨道焊接头36连接在一可编程电源38上。可编程电源38也同时作为热交换器，用以保持焊接头36的冷却。在人工装载法中，将一接地电极头10装载到轨道头36的一端内，同时将火花塞本体20置入另一端。利用夹紧装置可确保接地电极头10与中心电极28保持同心且平行的适当定位。装载后，机器开始循环。循环中包括使用氩气或其它适合之惰性气体吹洗焊接头室、让焊接电极环绕零件周转、以及最后冷却吹洗，以消除完工后焊接点的氧化与脱色。一旦完成上述循环，便从夹紧装置取下零件成品。

同样地，图8指示相同的过序，但增加一火花塞本体20装载匣(loading magazine)40与一接地电极头10装载匣41。利用一拾取与放置可编程机械手臂45(可使用FANUC产品或其它同等品)，经由第一输送器42将本体20送至焊接头36，并经由第二输送器43将接地电极头10送至焊接头36。零件成品则以类似方式取下并放在包装输送器上(图中未示)。在一种自动及人工程序共享的类似方法中，加入了转子46与固定熔接头36。装载与卸载零件的手段是类似的。焊接循环与零件放置间的互动是以Allen-Bradly出品的或类似的可程序逻辑控制器48完成的。零件呈现与关键工艺组件的安全互锁是经由一系列电眼与机械性极限开关达到的。循环时间为自动控制的，但可用人工方式辅助任何部份的操作。

图9显示利用激光焊接机以人工方式装载零件的连接方法。在此方法中，使用刚性地安装的激光头。火花塞本体20与接地电极头10从不同方向装载入一夹具转子机构48。压紧心轴50使接地电极头10相对火花塞本体20定位，保持所需的平行度与同心度。激光焊接头36(图中未示)与一电源38(图中未示)连接，以提供连接火花塞本体20与接地电极头10所需的程序循环，并冷却焊接头36。一旦完成后连接，即从夹具48取下零件成品，并转送到包装输送器。

图10实施如图9所示的类似连接原理，但其过程是自动化的。其中利用一装载匣提供零件至一转位工作台54。拾取与放置机械手臂将各个接地电极头10与火花塞本体20携至一激光焊接与旋转站56。利用类似图7所述人工方法确定相对位置。使用PLC(可编程逻辑控制器)使各种不同组件的插设同步化，并用一系列机械性极限开关、光屏及光学传感器(图中未示)对重要组件发送互锁信号。零件经过装载、焊接后，再使转位工作台转位，以便装载下一组零件。零件成品的卸载是使用位于转位工作站之一的拾取与放置机械手臂完成的。如图10所示，自动化激光焊接头设备包括转位工作台54、激光焊接与旋转站56、一六角气动转位器58、一NIP槽轮驱动器60、一电动转位止动器62、一Bodine变速驱动器64、一对位于相对角落处的E形止动器66、一光屏控制68、一电动控制罩70、一操作员控制面板72、及一装载/卸载站74。

请参照图11，其中示出一人工等离子体焊接机76，可用作本发明中的一种连接方法。如图11所示，人工等离子体焊接机76包括一等离子体焊接器52、一转子滑轮78、火花塞夹具转子机构48、火花塞头定位器与压紧心轴50、及一心轴固定座80。

请参照图12，其中示出一自动化等离子体焊接机82，可用作本发明中的一种连接方法。如图12所示，自动化等离子体焊接机82包括一激光路径、转子滑轮78、火花塞夹具转子机构48、火花塞头定位器与压紧心轴50、及一心轴固定座80。

实例1

97道奇达科塔(Dodge DAKODA)排气试验概要

车辆识别号：VIN 1B7GG23Y7V

引擎类型：5.2L燃油喷射式V-8，电子点火。

行车里程：35,489英哩。于27,143英哩时装设Bosch白金推荐的库存火花塞(Bosch零件编号FR8LPX)。火花塞的总里程为8,346英哩。在六种此型火花塞的范围内，此种火花塞在绝热特性上排名第二，显示为一热火花塞。标称间隙为0.045英寸，容许范围从0.032英寸至0.060英寸。车辆在Quachita技术学院进行四气排放试验(four-gasemission test)。以操作温度作为基线时，记录引擎在怠速转速(600rpm)与巡行转速(2500rpm)时的结果。结果如下列：

                        怠速       巡行速

    二氧化碳(CO₂)     14.30％     无资料

    一氧化碳(CO)       0.28％      0.20％

    碳氢化合物(HC)     77ppm       7ppm

    氧气(O₂)          0.77％      无资料

然后立刻取下各火花塞，并用一组Champion赛车火花塞取代。这些Champion赛车火花塞是用图3所示的接地电极10改进的。改进前的火花塞零件编号为C57C并列为Champion产品目录中的高效能火花塞。将此目录中的八种火花塞分组时，此种火花塞是列为头部外伸火花塞中最冷的一种，并在整个分组中为倒数第三冷。这些火花塞未经改进前，或许不适合在此种引擎内运转。Champion建议用于此种引擎的火花塞为RC12LC4，在此分组中的绝热特性中排名第三。此种改进后火花塞与建议使用的火花塞间的显著差异，不仅在于绝热特性，还包括较窄的间隙(0.025英寸)与非电阻器结构。虽然初期并无预期的显著差异(以往经验显示，通常要花至少1,000英哩才能烧完先前火花塞留下的所有残余燃烧室沉淀物，有时会造成初期较糟的排气)，但在车辆上进行无里程的基线运转，以获得另一基线。其结果如下，令人惊讶：

                     怠速      巡行速    变化％

  二氧化碳(CO₂)    14.65％    无资料    +2.4

  一氧化碳(CO)      0.04％     0.25％    -85.7/+25.0

  碳氢化合物(HC)    12ppm      9ppm      -84.4/+28.6

  氧气(O₂)         0.51％     无资料    -33.7

可以看出怠速时所有不良排气都急剧下降，但因燃烧更完全，所以二氧化碳如预期增加。巡行速结果如预期所料，并应在残余沉淀物烧完后渐渐减少。此外，使用接地电极头10的火花塞之一在安装时错牙，所以无法装妥。因此，库存火花塞之一被放回引擎中，在第八个汽缸上。一旦装妥最后一个包括接地电极头10的火花塞，实际结果应该会更好。

实例2

送回Quachita技术学院作追踪排气试验。八个包括接地电极头10的火花塞安装到引擎内以来，总里程为36,629英哩(自上次试验后之里程数为1,140英哩)。值得注意的是，在此次试验时，达科塔内的检查引擎灯亮了，可能表示氧气传感器有问题。试验结果如下：

                     怠速      巡行速    原始试验变化％

  二氧化碳(CO₂)    14.89％    15.26     +4.1/无资料

  一氧化碳(CO)      0.00％     0.05％    -75.0

  碳氢化合物(HC)    7ppm       22ppm     -90.0/+214

  氧气(O₂)         0.39％     0.25％    -49.4/无资料

可发现怠速时有持续的改进，巡行速时则可发现一氧化碳排气有急遽的改进。唯一不合理的参数是在巡行速时HC排气显著增加，但此参数在怠速时显示降低91％。这可能是个令人生疑的读数，尤其根据CO₂％比怠速时增加(显示较充分的燃烧)而O₂％急遽下降(亦显示更完全的燃烧)的事实看来。

实例3

当里程为37,545英哩时进行了第三次试验(在前次试验后的里程数为916英哩)。检查引擎灯仍然发亮。试验结果如下：

                   怠速     巡行速     原始试验变化％

二氧化碳(CO₂)    14.71％    15.09     +2.9/无资料

一氧化碳(CO)      0.00％     0.01％    ∞/--95.0

碳氢化合物(HC)    6ppm       8ppm      -92.2/+14

氧气(O₂)         0.64％     0.39％    -16.8/无资料

怠速与巡行速时的结果都继续有改进。现在，巡行速时的CO也趋近零，而HC显示比前次试验结果急剧下降。如此应可显示图3所示的接地电极10继续清除原始火花塞留下的燃烧室沉淀物。尽管表观燃烧不像氧气与二氧化碳百分比显示的那么充分，但是污染物减少情况低于上一次试验的结果。检查引擎灯及/或氧气传感器可能是此处的限制。

上述组件、组件及步骤可用同等组件、组件及步骤替代而依然可用相同方法执行相同功能，达到相同的结果。

Claims (7)

1.一种内燃机用火花塞的制造方法，其步骤包括：

(a)提供一双环接地电极，该接地电极具有至少三支脚，使直径较小的顶环与底环分隔，并在底环下方具有朝下延伸的凸缘；

(b)提供一火花塞基座，此基座具有瓷外壳及位于基座一端中心内的火花产生电极；

(c)将双环接地电极底环焊接于围绕火花产生电极的火花塞基座的周缘；以及

(d)提供一准直工具，用以对准双环接地电极与火花塞基座，以使接地电极的顶环与火花产生电极同心并间隔开位于火花产生电极上方。

2.如权利要求1的方法，其中该双环接地电极是以旋转方式焊接于火花塞基座。

3.如权利要求1的方法，其中该焊接是使用惰性气体保护钨极焊实施。

4.如权利要求1的方法，其中该焊接是使用激光焊接机实施。

5.如权利要求1的方法，其中该顶环的下表面设有一白金轴套。

6.如权利要求1的方法，其中该焊接是使用等离子体焊接法实施。

7.如权利要求1的方法，其中该双环接地电极是用一种传导性金属射出成型备制的。

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