阅读说明：本技术 点火器组件及其绝缘体和构造方法 (Igniter assembly, insulator therefor and method of construction ) 是由 詹姆斯·D·利科斯基 保罗·威廉·菲利普斯 于 2018-04-11 设计创作，主要内容包括：提供一种诸如用于内燃机的电晕点火器的点火器,以及制造该点火器的方法。点火器包括绝缘体,绝缘体具有扩大的上端区域和下端区域,轴向地延伸超过壳体通道的受约束的较小直径的区域的相对端。绝缘体的扩大的下端区域沿壳体的下端轴向外侧布置。绝缘体被气密地密封到壳体上,并且被永久地固定,以防止其从壳体轴向向外移除。该方法可以包括通过使壳体塑性变形或者围绕绝缘体铸造壳体而使壳体与绝缘体的轮廓相匹配。可替代地,可以将分开的金属部件布置在绝缘体周围以形成与绝缘体相匹配的壳体。(An igniter, such as a corona igniter for an internal combustion engine, and a method of making the igniter are provided. The igniter includes an insulator having enlarged upper and lower end regions extending axially beyond opposite ends of the restricted smaller diameter region of the housing passage. An enlarged lower end region of the insulator is disposed axially outwardly of the lower end of the shell. The insulator is hermetically sealed to the housing and permanently secured to prevent its removal axially outward from the housing. The method may include matching the shell to the contour of the insulator by plastically deforming the shell or casting the shell around the insulator. Alternatively, a separate metal component may be disposed around the insulator to form a housing that mates with the insulator.)

点火器组件及其绝缘体和构造方法

相关申请的交叉引用

该美国实用专利申请要求于2017年4月11日提交的序列号为62/484,364的美国临时专利申请和于2018年4月10日提交的序列号为15/949,296的美国实用临时申请的优先权，这些申请的全部公开被视为本申请披露的一部分，并通过引用并入本申请。

背景技术

1.发明领域

本申请总体上涉及用于点燃内燃机中的燃料-空气混合物的点火器，并且涉及该点火器的绝缘体和壳体的构造和制造方法。

2.相关技术

已知用于内燃机的点火器用于点燃空气-燃料混合物，可以包括火花点火装置和/或电晕点火装置，并且可以包括其他点火装置。这些点火器通常包括大致为管状构造的绝缘体，该绝缘体通常会容纳电极并且外部被钢壳包围，该钢壳可以在其下端拧入与燃烧室开放连通的发动机头部的插座中。组件的上端通常连接到电源，并且点火器在使用中运行以产生受控的火花、电晕放电、等离子放电等，以点燃燃烧室中的燃料-空气混合物。

图11和图12举例说明了被显示为电晕点火系统的点火器的点火器1，显示了绝缘体2和壳体3的构造。图11和12在此用于说明性目的以帮助区分本申请的发明主题，且不被认为是现有技术。在图11中，使用“正向”组装技术将绝缘体2组装到壳体3的上端4，而在图12中，使用“反向”组装技术将绝缘体2组装到壳体3的下端5。在两种情况下，绝缘体2的穿过壳体3的通道6***的部分具有的最大绝缘体直径(ID)小于通道6的最小壳体直径(SD)。这自然限制了绝缘体2***端的尺寸，因为它必须穿过壳体3中的开口。

在一些点火应用中，已经发现使绝缘体2大于壳体通道6的最小直径对于点火性能和耐用性是有利的，因此，设计者当前必须决定绝缘体2的哪一端被提供为相对扩大端，而使得其相对的端具有足以穿过壳体通道6的最小直径的减小的直径。如果执行正向组装技术，则绝缘体2的上端可以被设置为具有扩大端7(图11)，并且如果执行反向组装技术，则绝缘体2的下端可以被设置为具有扩大端8(图12)。在任一种情况下，与扩大端7、8相对的端必须保持足够小以能够***通道6的最小直径。已经尝试将次级扩大绝缘部件9添加到绝缘体2的相对较小的端，尽管取得了一些成功，但在性能和耐用性上都需要改进。由于施加在绝缘体2和次级放大绝缘部件9之间的结合部上的高电、机械和热应力，通常会产生一些缺陷，从而导致达不到最佳点火事件，从而导致点火性能不佳。此外，绝缘体2和第二部件9之间的接合部自身易于腐蚀、分离和破坏，从而导致达不到最佳耐久性。此外，必须执行次级操作以合并次级部件增加了过程和点火器的复杂性和成本。

本申请的一方面提供了一种电晕点火器。该电晕点火器包括围绕中心电极的绝缘体和围绕该绝缘体的由金属形成的壳体。绝缘体具有绝缘体外表面，该绝缘体外表面包括在绝缘体上端区域和绝缘体下端区域之间的绝缘体中间区域。中间区域具有最大第一直径ID1，绝缘体上端区域具有最小第二直径ID2，并且绝缘体下端区域具有最小的第三直径ID3。最小第二直径ID2和最小第三直径ID3均大于最大第一直径D1。该壳体具有壳体外表面，该壳体外表面包括具有多个螺纹的螺纹区域。壳体还具有壳体内表面，该壳体内表面包括与螺纹区域径向对准的壳体下端区域。壳体下端区域具有最大内径SD1，该最大内径SD1小于绝缘体外表面的最小第二直径ID2和最小第三直径ID3。壳体还发生塑性变形，以使壳体内表面与绝缘体中间区域和绝缘体上端区域的至少一部分的轮廓相匹配，并且绝缘体下端区域从壳体的壳体下端轴向向外延伸。

本申请的另一方面提供了一种电晕点火器，该电晕点火器包括围绕中心电极的绝缘体以及围绕该绝缘体的由金属形成的壳体。绝缘体具有绝缘体外表面，该绝缘体外表面包括在绝缘体上端区域和绝缘体下端区域之间的绝缘体中间区域。绝缘体中间区域具有最大第一直径ID1，绝缘体上端区域具有最小第二直径ID2，并且绝缘体下端区域具有最小第三直径ID3，其中最小第二直径ID2和最小第三直径ID3均为大于最大第一直径D1。该壳体具有壳体外表面，该壳体外表面包括具有多个螺纹的螺纹区域。壳体还具有壳体内表面，该壳体内表面包括与螺纹区域径向对准的壳体下端区域。壳体下端区域的最大内径小于绝缘体外表面的最小第二直径ID2和最小第三直径ID3。壳体包括分开的部件，并且壳体的内表面与绝缘体中间区域以及绝缘体上端区域的至少一部分的轮廓相匹配。绝缘体下端区域也从壳体的壳体下端轴向向外延伸。

本申请的另一方面提供一种制造点火器的方法。该方法包括以下步骤：提供一种绝缘体，该绝缘体的绝缘体外表面包括在绝缘体上端区域和绝缘体下端区域之间的绝缘体中间区域，该绝缘体中间区域具有最大第一直径ID1，该绝缘体上端区域具有最小第二直径ID2，绝缘体下端区域具有最小第三直径ID3，其中最小第二直径ID2和最小第三直径ID3均大于最大第一直径D1；将绝缘体下端区域***由金属形成的壳体的壳体上端并穿过壳体的壳体下端。该方法还包括使壳体塑性变形，使得壳体的壳体内表面与绝缘体中间区域的轮廓相匹配。

本申请的又一方面提供了一种制造点火器的方法，包括以下步骤：提供一种绝缘体，该绝缘体具有绝缘体外表面，该绝缘体外表面包括在绝缘体上端区域和绝缘体下端区域之间的绝缘体中间区域，该绝缘体具有最大第一直径ID1的中间区域，具有最小第二直径ID2的绝缘体上端区域和具有最小第三直径ID3的绝缘体下端区域，其中最小第二直径ID2和最小第三直径ID3均大于最大第一直径D1；并在绝缘体外表面周围布置由金属形成的壳体的分开的部件，该壳体的各个部件的壳体内表面与绝缘体中间区域和绝缘体上端区域的至少一部分的轮廓相匹配。

本申请的另一方面提供了一种用于制造点火器的方法，包括以下步骤：提供一种绝缘体，该绝缘体的绝缘体外表面包括在绝缘体上端区域和绝缘体下端区域之间的绝缘体中间区域，该绝缘体中间区域具有最大第一直径ID1，具有最小第二直径ID2的绝缘体上端区域和具有最小第三直径ID3的绝缘体下端区域，其中最小第二直径ID2和最小第三直径ID3均大于最大直径第一直径D1；以及围绕绝缘体铸造由金属形成的壳体，使得壳体的壳体内表面与绝缘体中间区域和绝缘体上端区域的至少一部分的轮廓相匹配，并且所述壳体的壳体下端位于绝缘体下端区域的轴向上方。

附图简要说明

鉴于以下对当前优选实施例和最佳模式、所附权利要求书和附图的详细描述，对于本领域技术人员而言，这些以及其他特征和优点将变得显而易见。

图1是根据本申请的一方面的点火器的立体图；

图2是图1的点火器的剖视图；

图3是根据本申请的另一方面的绝缘体的立体图；

图4A-4C示出了根据本申请的另一方面的用于构造点火器的步骤；

图5A-5E示出了根据本申请的又一方面的用于构造点火器的步骤；

图6是示出在完成图5A-5E的构造步骤后的壳体和绝缘体组件的剖视图；

图7A-7C示出了根据本申请的又一方面的根据与图5A-5E所示的步骤类似的步骤构造的点火器的剖视图，其中，中心电极组件在整个施工步骤中设置在绝缘体中；

图8-10示出了根据本申请的另一方面构造的不同点火器的剖视图；以及

图11和图12示出了不是根据本申请的点火器，标识了本申请解决的情况和问题。

当前优选实施例的详细描述

更详细地参考附图，图1以示例而非限制的方式示出了根据本申请的一方面构造的点火器，被示为电晕点火器，作为示例但不限于此，下文简称为点火器10。点火器10包括用于接收高射频电压的中心电极12，围绕中心电极12的整体的单件式绝缘体14以及围绕绝缘体14的金属壳体16。中心电极12包括用于发射射频电场的电晕增强尖端18(有时被称为“拖缆”)，以使燃料-空气混合物电离并在内燃机的缸膛内提供电晕放电。金属壳体16具有界定通道22的内表面20，该通道22在相对敞开的上端24和下端26之间延伸。通道22具有直径较小区域28，绝缘体14通过该直径较小区域28完全延伸。绝缘体14具有在相对的上端区域32和下端区域34之间延伸的中间区域30。绝缘体14的上端区域32和下端区域34相对于壳体16的直径较小区域28扩大，使它们不能通过壳体16的直径较小区域28。如本领域技术人员所理解的，由于该单件式绝缘体14具有扩大的大体上球形的上端区域32和下端区域34，点火器10的点火性能、耐用性和使用寿命得以提高，而不必在绝缘体14的端部32、34附近添加额外的二次绝缘材料。

点火器10的中心电极12由例如镍合金的导电材料形成，用于接收足以引起点火事件的电压，例如，在电晕式点火器的情况下，高射频电压通常在20至75KV峰/峰的范围内，作为示例而非限制。中心电极12还发射足以引起点火事件的能量，例如，在电晕式点火器的情况下，高射频电场通常在0.9至1.1MHz的范围内，作为示例而非限制。中心电极12沿着中心轴线A从终端36纵向延伸到电极点火端38。中心电极12通常在电极点火端38处包括电晕增强尖端18，其中尖端18包括多个径向向外延伸的尖头，通常由镍、镍合金、铜、铜合金、铁或铁合金形成。

电晕点火器10的绝缘体14由例如氧化铝的电绝缘材料形成，作为示例而非限制。绝缘体14具有内表面40，该内表面40限定了一个通孔，该通孔的尺寸适于中心电极12容纳于其中并且沿中心轴线A从绝缘体上端42纵向延伸到绝缘体下端44(也称为鼻端)。绝缘体14具有绝缘体外表面46，其中，如横截面中所示，外表面46通常是圆形的，使得外表面46具有直径。沿着绝缘体中间区域30延伸的外表面46具有最大的第一直径ID1(如图2)；沿绝缘体上端区域32延伸的外表面46具有最小的第二直径ID2(如图2)；沿绝缘体下端区域34延伸的外表面46具有最小的第三直径ID3(如图2)，其中ID2和ID3均大于ID1。在所示的实施例中，ID1具有沿着中间区域30的整个长度延伸的恒定或基本恒定的直径，作为示例而非限制。绝缘体外表面46还包括绝缘体鼻部区域。

作为示例而非限制，壳体16可以由可塑性变形的金属材料(例如钢)形成。壳体16具有壳体外表面48，该壳体外表面48径向向外并且远离轴线A，并且大致沿着中心轴线A的方向从壳体上端24延伸至壳体下端26。壳体内表面20包围绝缘体14的一部分，示出为包围中间区域30和上端区域32，绝缘体下端区域34从壳体16的下端26向外轴向延伸。壳体外表面48具有螺纹区域50，用于与发动机(未示出)的气缸盖中的螺纹孔螺纹接合。螺纹区域50以及与螺纹区域50径向向内对齐的相应的内表面20的下部区域54被示出为从下端26或邻近壳体下端26轴向向上端24延伸至径向向外延伸的肩部52。内表面20的下部区域54具有最大的下部直径SD1(如图2)，其中SD1小于ID2和ID3。因此，绝缘体14的上端42、下端44的最大外径ID2、ID3都不受壳体通道22的最小直径所能达到的大小的限制。

壳体肩部52提供了用于密封抵靠发动机汽缸盖的安装表面的座，但是如果需要的话，可以将环形密封构件抵靠肩部52设置以完善密封。在一些示例实施例中，壳体16在邻近肩部52的螺纹区域50中塑性变形。肩部52径向向外延伸并且过渡到外表面48的轴向延伸的扩大区域56中，其中，相对于扩大区域56反向、大致平行延伸的壳体内表面20的上部区域58径向向外扩张以提供最小上部直径SD2(如图2)，其中SD2大于ID2。扩大直径区域56、58被示出为延伸到壳体上端24。为了便于将点火器10紧固至发动机的气缸盖，外表面扩大区域56的至少一部分可以形成为具有例如六边形区域的工具接收部60。

在点火器10的结构中，绝缘体14被提供为具有所需的饰面形状的单片绝缘材料，如图3所示，作为示例而非限制。尽管饰面形状的具体细节可以根据不同的发动机应用而改变，该饰面形状均包括上端区域32和下端区域34，该上端区域32和下端区域34彼此之间轴向间隔开一个具有最大外径ID1的中间区域30，并分别具有最小外径为ID2、ID3的相应部分，其中，所确定的上、下端区域32、34的最小外径ID2、ID3大于中间区域30的最大外径ID1。本领域技术人员将认识到，在特定区域30、32、34内，可以根据预期应用的需要提供其特定特征和结构。这在示出根据本申请的不同实施例构造的点火器110、210、310的图8-10中得到证明。

在图4A-4C中，示出了一种说明根据本申请的一方面构造点火器10的步骤的方法100。如图4A所示，金属壳体16可以在构造的初始阶段以单件金属材料的形式提供，该金属壳体16具有管状主体62，该管状主体62具有周向连续的无缝壁63，其内表面20界定了通道22，该通道22在相对的上端24和下端26之间延伸。在初始阶段，金属壳体16还可以在其上沉积延性的镍镀层，以增强耐腐蚀性并促进随后的钎焊密封过程，其中，镀层足够耐用以至于承受后续的成型工艺步骤。此外，可以将环形垫圈或密封材料64设置在壳体16的下端26中的沉孔凹槽66中，以促进在绝缘体14和壳体16之间形成气密密封。相对于与下端26相邻的下部区域54，通道22在从上端24朝向下端26延伸的上部区域58处扩大。例如，在正向组装过程中，通道22的扩大的上部区域58的尺寸设计成可容纳位于其中绝缘体的上端区域32和穿过其中的下端区域34，而下部区域54的初始尺寸显示为具有相对于上部区域58较小其相对于成品状态扩大的内径，以使绝缘体14的下端区域34能够***其中。

在将绝缘体14布置到壳体16中期间或期后，可以在绝缘体14的一个或多个选定区域和壳体16之间布置钎焊材料，以用于随后的钎焊，以便进一步促进在绝缘体14和壳体16之间形成气密密封。为了促进钎焊，至少绝缘体14的执行钎焊的区域可以被金属化。然后，如图4B所示，在成型操作中使壳体16塑性变形，以使壳体内表面20与绝缘体外表面46的轮廓基本相匹配，从而在需要抑制电弧的地方留有环形间隙。成型操作可以通过多种金属成型工艺中的一种，作为示例而非限制，包括例如型锻、挤压、压接、轧制和端部成型的冷成型工艺，或者通过磁脉冲成型工艺，也称为电磁成型(EM成型)或氧磁力成型来执行。不管所使用的成型过程如何，在围绕单件绝缘体14形成单件金属壳体16后，绝缘体14被永久地固定，以防止其从壳体16轴向向外移除，因为上端区域32和下端区域34的最小直径D2、D3均大于壳体下部区域54内的最大内径SD1。如图4B所示，扩大的下端区域34的形状为环形凸缘，该环形凸缘径向向外延伸超过壳体内表面20，以与壳体下端26大致相对并约束垫圈64以免其被移除。应该理解的是，除了已示出的，本文也考虑了扩大的下端区域34的其他形状。

在围绕绝缘体14形成壳体62后，可以执行进一步的成型和/或机加工工艺，包括在螺纹滚轧或螺纹切削操作中形成螺纹，从而可以形成螺纹区域50以与气缸盖上相应的螺纹孔螺纹接合。例如，取决于预期的应用需求，还可以沿着例如邻近壳体上端24的外表面48或内表面20形成附加的螺纹区域。应当认识到，根据本文的教导，当由本领域技术人员执行时，成型和/或加工操作不会对绝缘体14和各种涂层造成机械应力或以其他方式损坏绝缘体14和各种涂层。

在形成壳体16及其上的特征时，可以执行附加过程，包括：在钎焊炉中执行钎焊工艺，从而在绝缘体14和壳体16之间建立所需的气密密封；以及将点火器芯组件68安装在绝缘体14的通孔70中，如果构造电晕型点火器，该点火器芯组件68包括中心电极12，并且进一步将电晕增强尖端18组装到中心电极12的端部(如果先前未安装)。

应当认识到，尽管以上参照图4A-4C讨论了正向安装过程(将绝缘体14***壳体16的上端24)，但是本文中考虑了反向安装过程(将绝缘体14***壳体16的下端26)，其中上端区域32和下端区域34的对应直径可以相应调整。这样，绝缘体14的上端区域32可以被设置成具有相对于下端区域34的直径ID3更小或相等的直径ID2，但是ID2仍然大于中间区域30的直径ID1。

在图5A-5E中，示出了另一种说明根据本申请的另一方面构造点火器10的步骤的方法200。如图5A所示，金属壳体16在构造的初始阶段可以被提供为多个分离的金属材料片，包括分离的两半部分70、72，作为示例而非限制。如上所述，分开的部件可以至少部分地涂覆有镍或其他合适材料的耐腐蚀层。分离的两半部分70、72被配置为连接在一起以形成具有周向连续壁63的管状主体62，其内表面20界定了尺寸适于在其中容纳绝缘体14的通道22。与图4A-4C所示的实施例不同，不需要冷成型工艺以使壳体16围绕绝缘体14贴合，因为壳体部件70、72可以被预先成型并确定尺寸以在其围绕绝缘体14固定后提供期望的饰面配合。如果需要，除了半壳体70、72之外，还可以提供另一个呈管状的壳体部件73，以形成上端24和直径扩大区域60。在本文中可以预期的是，如果需要的话，分离的两半部分70、72可以构造成形成壳体16的整体，包括上部的直径扩大区域56；然而，可以预期的是，可以通过由单独的金属管件形成直径扩大区域56来节省材料。

如图5B所示，在围绕绝缘体14的中间区域30组装壳体16的部件70、72时，也可以***前述垫圈64。作为示例而非限制，分开的部件70、72可以在诸如激光焊接操作的焊接操作中经由焊缝74彼此连接。而后，如图5C所示，如果以单独部件的形式提供，则可以使直径扩大的管状区域56与焊接的直径较小区域28同心对齐地邻接，示出为部分地围绕焊接的直径较小区域28的外表面布置，其后通过诸如激光焊接接头的环形焊接接头76焊接到其上。此后，可以对单件壳体执行上述相同的过程，即钎焊(其中，绝缘体的表面可以金属化以促进形成可靠的钎焊)、电镀、螺纹成型，包括根据需要形成固定到气缸盖和其他地方的螺纹区域50。图6是在焊接步骤之后的绝缘体和壳体的剖视图。

在图7A-7C中，示出了说明根据本发明的另一方面构造点火器10的步骤的另一种方法300。方法300与方法200相似。然而，在将壳体16围绕绝缘体14布置之前，将包括中央电极12和点火尖端18的中央电极组件布置在绝缘体14内。其他地，该过程与以上针对图5A-5E所示的过程所讨论的过程相同。

根据本申请的又一方面，金属壳体可以围绕绝缘体铸造，并且在铸造时，如果尚未铸造到壳体中，可以执行任何期望的次级操作，例如螺纹成型。

显然，根据以上教导，本申请的许多修改和变型是可能的，并且可以以不同于具体描述的方式来实施，而仍落在所附权利要求的范围内。特别地，所有权利要求和所有实施例的所有特征可以彼此组合，只要它们彼此不矛盾即可。