[发明专利]热线点火塞的加热元件组件

说明书

本发明总地涉及一种热线点火塞，更具体地涉及用于这种热线点火塞的加热元件组件。

直到不久以前，用于柴油内燃机的热线点火塞技术的主要改进只是为了满足帮助这种发动机起动的需要，而在这种用途中，我们知道柴油机用的都是可自动点火的燃料。

这种传统的点火塞设计成只在起动的短暂期间内暂时通电通过电阻加热而达到一预定的略高的温度（比如约900℃/1650°F）。当在起动期间内转动发动机时，自喷油嘴喷出的雾化燃料与热的点火塞接触或极贴近地经过炽热的点火塞，从而主要由表面点火实现了燃料的点火。由于在此转动和起动阶段内的发动机转速很小，与发动机正常运转时相比，燃料在点火塞附近停留的时间较长。结果，即使在上述略高温度下在较冷的发动机内也能实现常规燃料的点火。一旦发动机起动了起来，这种点火塞的电源就中断，发动机只由燃料的自动点火来继续运转。接着，点火塞就冷却到与发动机正常运转期间的发动机平均循环温度相接近的较低的温度（比如约为675℃/1250°F）。

习惯上还往往在转动和起动柴油机前将常规点火塞预热到那个略高的温度。在商业上用的车辆中，比如在推土挖土的拖拉机或载重卡车中，常常不大考虑将这类点火塞预热到此略高温度所需的时间（一般为1至2分钟）。然而，由于最近几年柴油机在轻载卡车和客车上的应用越来越多，人们普遍要求点火塞能在短得多的时间内预热（一般认为1至2秒钟是可以接受的）。因此。在近几年内，点火塞的技术发展也跟着着眼于提供一种在转动和起动发动机前预加热需要的时间较少的暂时通电的点火塞。

随着常规柴油机燃料供给量的减少和不足，同时也为了开发较干净的发动机以满足环境保护上的需要，制造厂家开发了可燃烧代用燃料比如甲醇、乙醇及种种气体燃料的发动机。然而，这类代用燃料一般与柴油机燃料相比十六烷值较低，因此仅靠与压缩进气的热量相接触很难点火。

申请人是助燃式发动机的早期开发者，这种发动机工作于狄塞尔循环，但与传统的柴油发动机或压缩点燃式发动机的不同之处在于当发动机正常运转时主要并不是通过燃料与压缩进气的热量相接触来实现喷入燃料的点火及火焰的传播的。这类助燃式混合型发动机下面将统称为狄塞尔循环发动机。

在1988年1月26日授予Krauja等人的美国专利No.4，721，081中及在1985年10月22日授予Bailey的美国专利4，548，172中揭示了促进这种燃料点火的一种方法，它们采用了一个直接延伸入发动机燃烧室的助燃装置。比如，此助燃装置可以包括一可连续通电的热线点火塞，此点火塞在整个发动机运转中需在一非常高的预定温度下工作。比如，此非常高的预定温度可以约为1200℃/2192°F，以便点燃上面提到的代用燃料。

申请人开始时曾在这种应用中采用传统的点火塞。在1984年10月9日授予Takizawa等人的美国专利No.4，476，378中揭示了一种传统的热线点火塞。这种点火塞有一加热元件组件，此加热元件组件包括一绕在一芯棒上的单螺旋金属线或金属丝，芯棒则位于护壳的盲孔内。护壳用诸如不锈钢之类的耐热金属制成。然后在盲孔内剩下的空间充填诸如氧化镁之类的耐热且电绝缘的粉末。为了将耐热电绝缘粉末压实在金属丝周围以对此金属丝提供足够的支撑并将足够的热量传至金属护壳，护壳一般向内锻细以减小其内径从而压实粉末。在盲孔底部处的金属丝一端与金属护套相连以使金属护套构成电流回路的一部分。

申请人发现用商业上可行的金属材料制成的热线点火塞护套如果在发动机燃烧室中或暴露在燃烧室中连续加热则很容易遭到氧化或腐蚀。护套被诸如钠、硫、磷和/或钒之类的杂质严重侵蚀，这些杂质是随着燃料、润滑油、海浪和/或公路上的盐份进入燃烧室的。金属护套被这些杂质侵蚀掉而使金属丝暴露。然后暴露的金属丝被氧化侵蚀而迅速失效。

在1985年3月5日授予Yokoi等人的美国专利No.4，502，430中揭示了另一种传统热线点火塞。在这种点火塞中，加热元件组件具有一绕成螺旋形的金属细丝，细丝由钨或钼制成并弯曲成大致呈U形。金属丝嵌在由氮化硅（Si₃N₄）制成的陶瓷绝缘体内。这种设计对陶瓷热线点火塞的制作有利，这不仅是因为此陶瓷材料是电绝缘的，而且因为这种材料能被热压以实现从细丝到陶瓷材料的良好热传导。另外，氮化硅具有适宜的物理性能，比如强度高、热膨胀系数低、维泊尔系数高且硬度高等等，以使点火塞头部经得住由发动机气缸施加的严重的热负荷和机械负荷。