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技术领域

本发明涉及一种用于测试火花塞的设备和方法，更特别地，其涉及在组 装到内燃发动机内后检测火花塞的带裂纹的陶瓷绝缘体，并指示火花塞间隙 是否在规格要求内。

背景技术

火花塞被用于内燃发动机中，以点燃空气/燃料混合物。火花塞通常安装 在发动机的汽缸盖中，以使点火尖端（firingtip）处于燃烧室中。传统的火 花塞包括陶瓷体，其用作中心电极和L形侧电极之间的绝缘体。L形侧电极 附接到围绕陶瓷体压接的金属壳。在火花塞的尖端处，中心电极从陶瓷体伸 出，且与侧电极间隔开，以形成火花塞间隙。一旦火花塞已经被组装到发动 机内，则期望测试该火花塞。在当前的火花塞测试机中，点火系统可以被完 全组装，使得点火线圈被连接（或点火线圈可以在测试台中被连接，以模拟 点火系统）。当系统点火时，在点火线圈周围产生电磁场。该电磁场可通过 电感式传感器感测，所述传感器邻近线圈设置在电磁场内。电磁场的变化指 示火花塞间隙中的变化，并且有可能，并不经常地，可指示陶瓷绝缘体中的 裂纹。在线末低温测试机中（Inendoflinecoldtestmachines），用于火花塞 间隙和具体裂纹的陶瓷绝缘体的测试可能不可靠。这样的潜在不可靠性可能 允许不符合规格的或具有带裂纹陶瓷绝缘体的火花塞保持安装在发动机中， 造成不太理想的发动机性能。

发明内容

提供了一种用于在火花塞被组装在内燃发动机中之后测试该火花塞的 设备和方法。该设备包括高压测试探头，以机械地探测该火花塞。高压测试 探头具有非导电部分、基本由非导电部分遮挡的导电环和用于电连接到火花 塞末端的高压接触器。该设备还包括高压控制箱，该高压控制箱具有高压源 和电接地，并且包括绝缘体裂纹检测电路和火花塞点火电路中的至少一个， 所述绝缘体裂纹检测电路用于将高压接触器连接到电接地，并且将导电环连 接到高压源，以产生绝缘体裂纹检测信号，该绝缘体裂纹检测信号指示绝缘 体是否有裂纹，所述火花塞点火电路用于将高压接触器连接到高压源，以在 点火测试中使火花塞点火，并且产生火花塞点火信号，该火花塞点火信号指 示火花塞间隙是否在规格范围内。

该方法包括，将高压测试探头设置在火花塞的基本从内燃发动机伸出的 全部上，以机械地探测火花塞。高压测试探头具有非导电部分、基本由非导 电部分遮挡的导电环和用于电连接到火花塞末端的高压接触器。该方法还包 括以下至少之一：将高压接触器和导电环连接到高压控制箱，以使高压控制 箱中的绝缘体裂纹检测电路将高压接触器连接到电接地，并将导电环连接到 高压源；和将高压接触器连接到高压控制箱，以使高压控制箱中的火花塞点 火电路将高压接触器连接到高压源。绝缘体裂纹检测电路产生绝缘体裂纹检 测信号，该绝缘体裂纹检测信号指示绝缘体是否有裂纹。火花塞点火电路在 点火测试中使火花塞点火，并且产生火花塞点火信号，该火花塞点火信号指 示火花塞间隙是否在规格范围内。

在结合附图进行时，本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将从用 于实施本发明的最佳模式的以下详细描述显而易见。

附图说明

图1是本发明的设备的示意图，该设备用于测试组装在内燃发动机中的 火花塞；

图2是根据本发明机械地探测火花塞的测试探头的一个实施例和火花塞 的示意性侧视图；

图3是其中图2的测试探头设置在用于图1的设备中的火花塞上的示意 性侧视图；

图4是根据本发明的正被测试的火花塞和设备的框图；和

图5是根据本发明的用于测试火花塞的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

参考图1，以示意图提供了本发明的设备100。在所有视图中，内部部 分显示用于辅助描述本发明。为了清楚，将首先描述将要被测试的部分（这 是传统的），然后说明本发明的设备100和方法500（显示在图5中）。如图 1中所示，将要被测试的部分是传统的火花塞10，其组装在传统的内燃发动 机40中。火花塞10包括螺柱末端部或末端12，内燃发动机40的火花塞线 （未示出）连接到其上。

参考图1、2和3，绝缘体14，其可以是陶瓷的，围绕具有第一端15的 中心电极16，该第一端15电连接到螺柱末端部或末端12，用于从火花塞线 接收电功率（在传统使用中）。绝缘体14沿中心电极16的长度充分延伸， 以将中心电极16与火花塞10的其他部分电绝缘。如图1中以虚线（点划线） 所示，绝缘体14可能具有裂纹13，该裂纹13可使其表现不太理想。裂纹 13可以具有基本上绝缘体14的整个长度，或可以是小的、针孔尺寸的裂纹， 且仍可通过本发明的装置和方法检测。通常具有由金属形成的六角形头部的 基部18围绕绝缘体14，提供将火花塞10安装或组装到内燃发动机40的器 件。金属杆20也围绕绝缘体14，所述金属杆20螺纹连接到内燃发动机40 的汽缸盖和汽缸体42中的带螺纹开口。基部18可用于将火花塞10紧固到 汽缸盖和汽缸体42中。金属杆20将火花塞10电连接到和接地到内燃发动 机40的汽缸盖和气缸体42，所述汽缸盖和气缸体42电接地到车辆（未示出） 接地48。金属杆20在侧电极22的第一端24处电连接到侧电极22。侧电极 22的第二端26延伸到燃烧室46中，所述燃烧室在内燃发动机40的活塞44 和汽缸盖和汽缸体42之间。如已知的，火花塞间隙30形成在侧电极22的 第二端26和中心电极16的第二端17之间。在内燃发动机40的运行期间， 相对于侧电极22（其被电接地）施加到中心电极16的电势产生横跨火花塞 间隙30的火花，以点燃燃烧室46内的燃料-空气混合物。

参考图4，显示了设备100、正被测试的部分和火花塞10的框图。为了 清晰起见，框（其具有在其他附图中更详细地示出的部件的附图标记）被用 来显示主要部件怎样连接来与本发明一起使用。火花塞10被组装在内燃发 动机40中用于测试。高压测试探头150设置在从内燃发动机40伸出的基本 上全部火花塞10上，以机械地探查火花塞。高压测试探头150被连接到高 压控制箱110。高压控制箱110被连接到计算机190（或其他控制装置），用 于测试和指示火花塞10是否通过了如下文所说明的静态测试中的每一个或 任何一个。

再次参考图1、2和3，设备100使得组装后的火花塞的至少一种和多达 三种测试能够使用高压控制箱110和高压测试探头150进行。在测试中，高 压测试探头150围绕火花塞10的一部分并电连接到火花塞10。高压测试探 头150具有第一、非导电部分152，其由聚氨酯或其他非导电可模制材料形 成。该第一、非导电部分152基本遮挡下文中详细描述的导电环172。仅举 例来说，该第一、非导电部分152可延伸超出导电环172大约十六分之三英 寸。高压测试探头150还具有第二部分154，其可由铝、铜或其他导电材料 形成。第二部分154包括用作探头定位器156的隆起区域（raisedarea），用 于确保在测试中，在被设置用于机械地探测火花塞10时，高压测试探头相 对于火花塞10位于正确的位置中。高压测试探头150包括腔体178，用于使 火花塞10的所述部分（基本上从内燃发动机40延伸的火花塞10的全部） 由高压测试探头150围绕。为了高压测试探头150电连接到高压控制箱110， 高压测试探头的辫线158连接穿过高压测试探头150的第二部分154。高压 测试探头辫线158包括具有高压测试探头第一触头162和高压测试探头第二 触头166的高压测试探头电连接器160。

如图1、2和3所示，高压测试探头第一触头162电连接到高压测试探 头第一导线164，所述高压测试探头第一导线164在高压测试探头150内部 电连接到高压接触器170，高压接触器170用于电连接到火花塞10的末端 12。高压接触器170可由黄铜、不锈钢或其他适当的导电材料形成，且与高 压测试探头150的第二部分154电绝缘。高压测试探头第一导线164和高压 测试探头第二导线168可额定用于40千伏或对于所施加的测试电压适当的 额定值。高压测试探头第二触头166电连接到高压测试探头第二导线168， 所述高压测试探头第二导线168电连接到导电环172。导电环172由导电金 属形成，且厚度可为.88mm（仅示例性地）。导电环172具有大致圆柱的形 状，具有在测试中足以维持其结构，并在不直接接触火花塞10的情况下尽 可能靠近绝缘体14安装的厚度。由此，高压测试探头150中的腔体178具 有比安装在高压测试探头150内的绝缘体14的最大外半径略大且充分大的 半径。如图3中所示，除了第一间隙176和第二间隙174之外，导电环172 基本延伸在火花塞10的绝缘体14上。第一间隙176延伸在导电环172的第 一端部171和基部18之间，且足以阻止产生到火花塞10的基部18的电弧。 第二间隙174延伸在导电环172的第二端部173和末端12之间，且足以阻 止产生到火花塞10的末端12的电弧。仅示例性地，这些间隙174和176长 度可大约为四分之一英寸。探头定位器156帮助确保导电环172不接触火花 塞10，且第一间隙176和第二间隙174定位得足以阻止分别产生到基部18 和末端12的电弧。尽管图1、2和3显示了结束于配置为电插头的高压测试 探头电连接器160的高压测试探头辫线158，但是如果需要，高压测试探头 第一和第二导线164和168可以分别是高压测试探头150和高压控制箱110 之间的硬接线电连接器160。替代地，高压测试探头第一导线164和高压测 试探头第二导线168可具有分立的电连接器，而不是如图所示的一个高压测 试探头电连接器160。每个分立的电连接器和第一导线164或第二导线168 将分别包括高压测试探头第一触头162或高压测试探头第二触头166。

接下来，在图1中，描述了用于提供火花塞10的测试的高压控制箱110。 协同高压测试探头150，根据本发明，高压控制箱110包括用于在火花塞10 上执行至少一种和多达三种测试的电路和部件。绝缘体裂纹检测测试检测在 火花塞10的绝缘体14中是否存在裂纹或其他缺陷，因为裂纹13或其他缺 陷可能导致火花塞10的之后的故障。火花塞点火测试检查火花塞10是否点 火（功能的），而且还产生火花塞点火信号。该火花塞点火信号被用来指示 火花塞间隙30是否在被接受的规格限制内。在整个说明书中，术语“火花塞 间隙在规格范围内”意思是，火花塞间隙30在选择用于具体应用的可接受的 尺寸公差内。

仍参考图1，高压控制箱110通过高压控制箱电连接器120电连接到高 压测试探头150。高压控制箱电连接器120具有电连接到高压控制箱第一导 线124的高压控制箱第一触头122，和电连接到高压控制箱第二导线128的 高压控制箱第二触头126。高压控制箱110还包括高压源130，其可以是点 火线圈，比如标准的双端汽车点火线圈，通常可在汽车零部件商店获得。高 压源130的第一触头132电连接到高压控制箱第二导线128。高压源130的 第二触头134电连接到分流电阻器138的第一触头136。分流电阻器138的 另一触头电连接到高压控制箱电接地140，所述高压控制箱电接地140是电 路的电接地。分流电阻器138可以是具有百分之一或更少（仅举例来说）误 差的一百欧姆的高压电阻器，且被用来分别使用信号线137和139作为到计 算机190的输入产生火花塞点火信号192（用于火花塞间隙检测），所述计算 机连接到高压控制箱110。由此，火花塞点火信号192是电流测量值，其指 示火花塞间隙30是否在规格范围内。

仍参考图1，可商购获得的高压火花间隙元件148连接在高压源130的 第一触头132和高压源130的第二触头134之间。高压火花间隙元件148阻 止火花塞点火电路180和绝缘体裂纹检测电路182中的电压超过十千伏（仅 举例来说），且作为安全装置被包括，如本领域技术人员所理解的。接下来， 分压器141包括两个电阻器142和146，其中电阻器142电连接在高压源130 的第一触头132和电阻器146的第一触头144之间。电阻器146的第二触头 被联接到高压控制箱电接地140。分压器141、电阻器142和146可以分别 是一兆欧和一百欧电阻器（仅举例来说），且可在电阻器142两侧提供十千 伏的压降。电阻器146两侧的电压被用来分别使用信号线145和147产生绝 缘体裂纹检测信号194，作为到计算机190的信号。接下来，两个高压继电 器112和116（其可商购获得，且举例来说，可处理十千伏）被如所述那样 连接。高压继电器112被连接在高压源130的第一触头132和高压控制箱电 路触头114之间。高压继电器116被连接在高压控制箱电路触头114和高压 控制箱电路接地140之间。高压控制箱110可包括用于产生绝缘体裂纹检测 信号194的绝缘体裂纹检测电路182。另外，高压控制箱110可包括火花塞 点火电路180，其产生用于指示火花塞间隙30是否在规格范围内的火花塞点 火信号192。

参考图1，当设备100正根据本发明执行三种测试中的至少一种时，绝 缘体裂纹检测电路182和火花塞点火电路180如所述的提供经过上面列举的 部件的电路路径。火花塞点火电路180将高压接触器170电连接到高压源 130，以在点火测试中使火花塞10点火，并在火花塞间隙测试中产生指示火 花塞间隙30的火花塞点火信号192。由于高压继电器112闭合且高压继电器 116断开，因此电流从高压源130流动经过高压继电器112并到达高压接触 器170。高压接触器170电连接到火花塞10的末端12。火花塞的中心电极 16电连接到末端12，因此中心电极16具有高压源130的电势。火花塞10 的侧电极22电连接到电接地48，因为其组装在接地的内燃发动机40中。如 果火花塞10正确地运转，则中心电极16上的高压源130的电势将产生电弧 到接地的侧电极22，在点火测试中使火花塞10“点火”。这样的点火在分流 电阻器138两侧产生电压降，这将在信号线137和139（其连接在分流电阻 器138的每个端部处）上发送火花塞点火信号192，该火花塞点火信号192 在计算机190中指示火花塞间隙测试中火花塞间隙30处于规格范围内。

仍参考图1，由于高压继电器116闭合且高压继电器112断开，因此绝 缘体裂纹检查电路182将高压接触器170电连接到高压测试箱110的电接地 140。高压接触器170电连接到火花塞10的末端12。火花塞的中心电极16 电连接到末端12，因此中心电极16接地。导电环172电连接到高压源130。 高压测试探头150的非导电部分152基本遮挡导电环172（其处于高压源130 的电势下），从而其将不会因为疏忽而被短路或者暴露。如果绝缘体14具有 裂纹13，则导电环172上的高压源130的电势将穿过绝缘体14中的裂纹产 生电弧到接地的中心电极16。电阻器146两侧的电压降在信号线145和147 （其连接在电阻器146的每个端部处）上产生绝缘体裂纹检测信号194，该 绝缘体裂纹检测信号194在计算机190中指示绝缘体裂纹检查测试中裂纹13 是否已经被检测到。裂纹13往往沿燃烧室46中从火花塞10的末端12向中 心电极16的端部17的方向延伸，因此即使如果裂纹13的全部或部分不在 导电环172内，但是靠近导电环，例如在导电环172的八分之一英寸内，则 绝缘体裂纹检测测试仍然能检测到裂纹13。

参考图5，显示了本发明的方法500的一个实施例的流程图，其起始于 步骤502，方法500从步骤502处开始。如图1所示，方法500用于测试已 经组装在内燃发动机40中之后的火花塞10。火花塞10是传统的，且具有中 心电极16，该中心电极16由绝缘体14围绕且电连接到末端12。火花塞10 还具有侧电极22，其可电连接到电接地48。中心电极16和侧电极22配置 为形成火花塞间隙30。

再次参考图5，方法500进行至步骤504，其包括将高压测试探头150 设置在火花塞10的从内燃发动机40伸出的部分上（基本在火花塞10的从 内燃发动机40伸出的全部上），以机械地探查火花塞10。该设置可以是手动 或自动的，比如在测试夹具中。继续到步骤506，高压控制箱110中的绝缘 体裂纹检测电路182连接到高压测试探头150。绝缘体裂纹检测电路182将 高压接触器170电连接到电接地140。导电环172保持连接到高压源130。 绝缘体裂纹检测电路182由此产生指示绝缘体14是否有裂纹的绝缘体裂纹 检测信号194。使用信号线145和147，在电阻器146两侧将电压读取到计 算机190。如果没有检测到电弧，则如图1中所示的绝缘体裂纹检查信号194 在计算机190中被测得，确定没有检测到裂纹13。如果在高度带电的导电环 172和接地的中心电极16之间检测到电弧，则绝缘体裂纹检测信号194将具 有一个较小的峰值，该峰值将在计算机190中被确定，且火花塞10将被确 定为有缺陷。在测试设置或校准期间可确定绝缘体裂纹检测信号194是否被 指示为可接受或有缺陷（具有较小的峰值）的特定值，如本领域已知的。

仍参考图5，并继续到步骤508，高压控制箱110中的火花塞点火电路 180连接到高压测试探头150。火花塞点火电路180将高压接触器170电连 接到高压源130。火花塞点火电路180由此使火花塞10点火，并产生指示火 花塞间隙30的火花塞点火信号192。由于高压继电器112闭合，且高压继电 器116断开，因此高压峰值（例如10千伏）通过火花塞10施加脉冲。在火 花塞点火电路180中，脉冲使得来自高压源130的高压被施加到中心电极16， 且火花塞点火电路180还具有接地的火花塞10侧电极22。如果火花塞10 正确地运行，则峰值可以是例如仅3千伏。为了产生火花塞点火信号192， 电流流动通过分流电阻器138并产生火花塞点火信号192，火花塞点火信号 192具有如图1所示的大致锯齿形形状。火花塞点火信号192的斜率随间隙 尺寸而变化。（确定间隙尺寸的另一种方式是测量火花塞点火信号192的宽 度，当斜率变小时该宽度变宽。）通常的间隙可标称为大约1.025毫米（在可 接受的公差情况下为0.95-1.1毫米）。根据火花塞点火信号192，计算机190 确定并记录火花塞是否点火，以及火花塞间隙30是否在规格范围内。如上 所讨论的，术语“火花塞间隙在规格范围内”意思是，火花塞间隙30在选择 用于具体应用的可接受的尺寸公差内。否则，火花塞10被确定为有缺陷。 在测试设置或校准期间确定用于火花塞点火信号192是否被指示为可接受或 有缺陷（具有非锯齿形状或更小的斜率）的具体值，如本领域已知的。最后， 方法500结束于步骤510。（步骤506或步骤508或二者可包括在本发明的方 法中。）

再次参考图1，计算机190通常可包括微处理器或中央处理单元、只读 存储器（ROM）、随机访问存储器（RAM）、电可擦可编程只读存储器 （EPROM）、高速时钟、模拟-数字（A/D）和数字-模拟（D/A）电路和输入 /输出电路和装置（I/O），以及适当的信号调节和缓冲电路。计算机190可包 括很多算法，包括如所述的根据本发明的测试方法算法500（见图5），其可 以存储在ROM中并被执行以提供相应的功能。替代地，计算机190可以是 非常基本的控制装置，用于根据需要执行高压控制箱测试和存储或发送数 据，或是具有中间水平的处理和数据存储特征的控制设备，其也是已知的。 尽管未在附图中具体地显示，但是计算机190可根据需要以无线方式、通过 通讯总线或以其他已知的方式而根据需要通讯到装置、电路元件、部件等。

尽管传统的火花塞被描述为进行测试的部分，但是特殊的火花塞设计也 可以根据本发明而被测试。例如，绝缘体可由陶瓷之外的其他材料形成，只 要其适用于发动机环境中的火花塞要求。尽管在描述绝缘体裂纹检测电路和 火花塞点火电路中列出了用于执行三种测试的元件的具体电路和部件，但是 本领域技术人员将意识到，在本发明的范围内可使用替换性的部件和连接。 另外，本领域技术人员将理解，在本发明的范围内，电路可以以任何希望的 顺序连接到高压测试探头，且可以包括有用于测试其他部件的其他希望的电 路。

尽管已经对执行本发明的最佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术 人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计 和实施例。