火花塞绝缘套筒专利技术发展分析

苗舒越

【摘 要】本文通过对火花塞绝缘套筒技術领域的专利申请进行了统计分析，对绝缘套筒的材料技术发展路线进行了梳理，总结了火花塞绝缘套筒技术的发展现状，并对未来趋势进行了展望。

【关键词】火花塞；绝缘套筒；专利分析

1.前言

内燃机用火花塞是安装于内燃机发动机上、用于对燃烧室内的混合气体进行点火的构件。通常的火花塞包括具有轴孔的绝缘套筒、穿过该轴孔的中心电极、设于绝缘套筒外周的金属壳体、设于金属壳体前端部并在与中心电极之间形成火花放电间隙的接地电极。设置绝缘套筒的目的在于将中心电极与金属壳体及与其电连接的接地电极之间形成电绝缘，从而当在中心电极上施加高电压时，能够在中心电极与接地电极之间产生电压差以在二者之间形成火花放电点燃内燃机中的油气混合物，由此可知，绝缘套筒的绝缘性能会直接影响火花塞点火的可靠性。

2.专利申请整体情况

火花塞绝缘套筒相关的专利申请状况可以大致分为三个阶段：

（1）起步阶段（1997年之前）

1988年，日本电装株式会社提出在绝缘套筒的主要材料氧化铝中加入镁以及过渡金属元素以提高其机械强度以及耐热性。此后，从1988至1996数年间，专利数量并没有明显的增长，专利申请基本为日本、美国、德国所垄断。在该阶段申请人主要就绝缘套筒材料的组成、含量、粒径等方面进行了专利布局，此时的绝缘套筒均是以氧化铝为主要材料并掺有多种金属元素的瓷筒。期间日本电装株式会社开始在美国进行相关的专利布局，日本特殊陶业株式会社在德国进行相关的专利布局，这主要源于美国、德国、日本为当时汽车产业较为发达的国家，用于汽车内燃机的火花塞技术的发展一定程度上也反映了汽车工业的发展。

（2）增长阶段（1997年-2006年）

在增长阶段中日本的专利申请所占比例最大，显著高于其他各国，可见日本已经在该领域获得了比较大的技术优势。在1999-2001年间，各公司主要就如何通过掺杂提高绝缘套筒的机械强度以及耐热性进行专利布局，可见当时各公司还在继续围绕绝缘套筒的材料组分及其含量，研究如何提高其可靠性。同时，在2000-2003年间，日本特殊陶业株式会社公司主要研究了就如何通过绝缘套筒涂层的组分以改善其性能，即当时日本特殊陶业公司已经围绕绝缘套筒涂层的组分及其含量进行了一系列的定量分析研究。2003年，日本特殊陶业株式会社对绝缘套筒与金属外壳结合处的形状及尺寸提出专利申请，标志着申请人开始对绝缘套筒的形状结构进行系统化的研究改进。由上可知，在这段时间内，各公司主要围绕绝缘套筒材料的组分、含量、粒径等方面进行了改进，并在绝缘套筒涂层的研究上投入大量精力，进行了一系列的相关研究，同时还开始将注意力转向对于绝缘套筒结构及形状的改进上。

（3）成熟阶段（2007年-至今）

这一阶段日本公司进一步拉开了与竞争对手之间的差距，其申请量已经遥遥领先于其他国家的申请人，说明其前期的技术积累已为其赢得了该领域的龙头地位。另外值得注意的是，该阶段的申请人出现了弗拉明集团这种专门经营知识产权的公司，这也是该技术领域进入成熟阶段的重要标志。由于日本特殊陶业在该领域中的统治地位，日本专利申请量所占的比重相对于上一阶段继续增加，相应的，美国专利申请量所占比重受到蚕食有所下降，第三梯队的德国、法国等维持不变。在该阶段，以日本特殊陶业为首的日本公司主要对绝缘套筒的形状结构进行了一系列改进，包括前端部、与金属外壳的结合处、后端部等多个部位的改进，并在其间穿插进行了一些材料组分方面的改进，主要是在晶相层面进行了一系列研究。而欧美公司则主要对绝缘套筒的材料组分继续进行改进，使其满足一定的光学性能或具有一定的UV吸收性。

3.材料技术发展情况

随着技术的不断发展，火花塞绝缘套筒的材料及其所得达到的技术效果也随之不断变化：

（1）1998年之前，这一时期主要是对以氧化铝瓷筒为主要材质的绝缘套筒的成分进行尝试性地改进，在先与在后申请之间的关联性不大，没有形成清晰的技术路线与完整的技术体系。同时，在该阶段中，虽然已经有申请人提出了在绝缘套筒上涂覆涂层的技术方案，但还仅仅停留在概念层面，并没有对其进行定性或定量的深入分析与研究。

（2）1999年-2006年，这一时期对于绝缘套筒的主体成分的构成已经形成了完整的体系，对其改进的方向主要在于掺杂不同的元素以改善其机械强度以及耐热性。对于涂层的改进也形成了一条清晰的技术路线，形成了以硅酸盐玻璃、碱土金属、碱金属为主要成分的釉料组成，改进的方向主要在于加入各种其他组分，以改善耐污性、烧制温度等各种性能。

（3）2007年-2010年，这一时期开始从微观层面对绝缘套筒的主体成分进行研究，主要着眼于绝缘套筒材料内部形成的气孔以及各种成分的粒径对其性能的影响，同时还从光学性能以及UV射线吸收性能等方面对绝缘主体的材料提出了新的要求。

（4）2011年-至今，这一时期主要从主体成分的晶相以及各组分的含量方面对绝缘套筒的材料进行改进，还从材料的热处理方式上进行了一系列研究。在涂层方面，从涂层的位置、长度、厚度等方面进行了研究，并进一步对其组分进行了改善，同时还提出了导电涂层的概念。

4.总结与展望

从该领域整体的发展趋势可以看出，日本对这一领域研究较早，特别是以日本特殊陶业株式会社公司为主的火花塞制造企业具有较大的技术优势，这与日本发达的汽车制造业紧密相关，其对于火花塞绝缘套筒的材料以及结构的系统化研究，值得国内相关企业进行借鉴和学习。我国由于汽车行业起步较晚，火花塞研究从2000年后期才陆续出现，近十年来随着汽车行业的快速发展，也带动了国内火花塞行业的发展，涌现了以珠江湘火炬火花塞有限责任公司为代表的企业和个人，特别是珠江湘火炬公司近几年的专利申请量增长较为明显，但较日本企业仍有一定的差距。随着国内创新环境的不断改善、知识产权保护意识的不断增强，相信在未来的汽车配件市场，会有越来越多的内燃机安装上具有自主知识产权的火花塞。