苗舒越

【摘 要】本文通過(guò)對(duì)火花塞絕緣套筒技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)絕緣套筒的材料技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)進(jìn)行了梳理，總結(jié)了火花塞絕緣套筒技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】火花塞；絕緣套筒；專(zhuān)利分析

1.前言

內(nèi)燃機(jī)用火花塞是安裝于內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上、用于對(duì)燃燒室內(nèi)的混合氣體進(jìn)行點(diǎn)火的構(gòu)件。通常的火花塞包括具有軸孔的絕緣套筒、穿過(guò)該軸孔的中心電極、設(shè)于絕緣套筒外周的金屬殼體、設(shè)于金屬殼體前端部并在與中心電極之間形成火花放電間隙的接地電極。設(shè)置絕緣套筒的目的在于將中心電極與金屬殼體及與其電連接的接地電極之間形成電絕緣，從而當(dāng)在中心電極上施加高電壓時(shí)，能夠在中心電極與接地電極之間產(chǎn)生電壓差以在二者之間形成火花放電點(diǎn)燃內(nèi)燃機(jī)中的油氣混合物，由此可知，絕緣套筒的絕緣性能會(huì)直接影響火花塞點(diǎn)火的可靠性。

2.專(zhuān)利申請(qǐng)整體情況

火花塞絕緣套筒相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)狀況可以大致分為三個(gè)階段：

（1）起步階段（1997年之前）

1988年，日本電裝株式會(huì)社提出在絕緣套筒的主要材料氧化鋁中加入鎂以及過(guò)渡金屬元素以提高其機(jī)械強(qiáng)度以及耐熱性。此后，從1988至1996數(shù)年間，專(zhuān)利數(shù)量并沒(méi)有明顯的增長(zhǎng)，專(zhuān)利申請(qǐng)基本為日本、美國(guó)、德國(guó)所壟斷。在該階段申請(qǐng)人主要就絕緣套筒材料的組成、含量、粒徑等方面進(jìn)行了專(zhuān)利布局，此時(shí)的絕緣套筒均是以氧化鋁為主要材料并摻有多種金屬元素的瓷筒。期間日本電裝株式會(huì)社開(kāi)始在美國(guó)進(jìn)行相關(guān)的專(zhuān)利布局，日本特殊陶業(yè)株式會(huì)社在德國(guó)進(jìn)行相關(guān)的專(zhuān)利布局，這主要源于美國(guó)、德國(guó)、日本為當(dāng)時(shí)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)較為發(fā)達(dá)的國(guó)家，用于汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)的火花塞技術(shù)的發(fā)展一定程度上也反映了汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展。

（2）增長(zhǎng)階段（1997年-2006年）

在增長(zhǎng)階段中日本的專(zhuān)利申請(qǐng)所占比例最大，顯著高于其他各國(guó)，可見(jiàn)日本已經(jīng)在該領(lǐng)域獲得了比較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在1999-2001年間，各公司主要就如何通過(guò)摻雜提高絕緣套筒的機(jī)械強(qiáng)度以及耐熱性進(jìn)行專(zhuān)利布局，可見(jiàn)當(dāng)時(shí)各公司還在繼續(xù)圍繞絕緣套筒的材料組分及其含量，研究如何提高其可靠性。同時(shí)，在2000-2003年間，日本特殊陶業(yè)株式會(huì)社公司主要研究了就如何通過(guò)絕緣套筒涂層的組分以改善其性能，即當(dāng)時(shí)日本特殊陶業(yè)公司已經(jīng)圍繞絕緣套筒涂層的組分及其含量進(jìn)行了一系列的定量分析研究。2003年，日本特殊陶業(yè)株式會(huì)社對(duì)絕緣套筒與金屬外殼結(jié)合處的形狀及尺寸提出專(zhuān)利申請(qǐng)，標(biāo)志著申請(qǐng)人開(kāi)始對(duì)絕緣套筒的形狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)化的研究改進(jìn)。由上可知，在這段時(shí)間內(nèi)，各公司主要圍繞絕緣套筒材料的組分、含量、粒徑等方面進(jìn)行了改進(jìn)，并在絕緣套筒涂層的研究上投入大量精力，進(jìn)行了一系列的相關(guān)研究，同時(shí)還開(kāi)始將注意力轉(zhuǎn)向?qū)τ诮^緣套筒結(jié)構(gòu)及形狀的改進(jìn)上。

（3）成熟階段（2007年-至今）

這一階段日本公司進(jìn)一步拉開(kāi)了與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手之間的差距，其申請(qǐng)量已經(jīng)遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家的申請(qǐng)人，說(shuō)明其前期的技術(shù)積累已為其贏得了該領(lǐng)域的龍頭地位。另外值得注意的是，該階段的申請(qǐng)人出現(xiàn)了弗拉明集團(tuán)這種專(zhuān)門(mén)經(jīng)營(yíng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的公司，這也是該技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)入成熟階段的重要標(biāo)志。由于日本特殊陶業(yè)在該領(lǐng)域中的統(tǒng)治地位，日本專(zhuān)利申請(qǐng)量所占的比重相對(duì)于上一階段繼續(xù)增加，相應(yīng)的，美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)量所占比重受到蠶食有所下降，第三梯隊(duì)的德國(guó)、法國(guó)等維持不變。在該階段，以日本特殊陶業(yè)為首的日本公司主要對(duì)絕緣套筒的形狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列改進(jìn)，包括前端部、與金屬外殼的結(jié)合處、后端部等多個(gè)部位的改進(jìn)，并在其間穿插進(jìn)行了一些材料組分方面的改進(jìn)，主要是在晶相層面進(jìn)行了一系列研究。而歐美公司則主要對(duì)絕緣套筒的材料組分繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)，使其滿(mǎn)足一定的光學(xué)性能或具有一定的UV吸收性。

3.材料技術(shù)發(fā)展情況

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，火花塞絕緣套筒的材料及其所得達(dá)到的技術(shù)效果也隨之不斷變化：

（1）1998年之前，這一時(shí)期主要是對(duì)以氧化鋁瓷筒為主要材質(zhì)的絕緣套筒的成分進(jìn)行嘗試性地改進(jìn)，在先與在后申請(qǐng)之間的關(guān)聯(lián)性不大，沒(méi)有形成清晰的技術(shù)路線(xiàn)與完整的技術(shù)體系。同時(shí)，在該階段中，雖然已經(jīng)有申請(qǐng)人提出了在絕緣套筒上涂覆涂層的技術(shù)方案，但還僅僅停留在概念層面，并沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行定性或定量的深入分析與研究。

（2）1999年-2006年，這一時(shí)期對(duì)于絕緣套筒的主體成分的構(gòu)成已經(jīng)形成了完整的體系，對(duì)其改進(jìn)的方向主要在于摻雜不同的元素以改善其機(jī)械強(qiáng)度以及耐熱性。對(duì)于涂層的改進(jìn)也形成了一條清晰的技術(shù)路線(xiàn)，形成了以硅酸鹽玻璃、堿土金屬、堿金屬為主要成分的釉料組成，改進(jìn)的方向主要在于加入各種其他組分，以改善耐污性、燒制溫度等各種性能。

（3）2007年-2010年，這一時(shí)期開(kāi)始從微觀(guān)層面對(duì)絕緣套筒的主體成分進(jìn)行研究，主要著眼于絕緣套筒材料內(nèi)部形成的氣孔以及各種成分的粒徑對(duì)其性能的影響，同時(shí)還從光學(xué)性能以及UV射線(xiàn)吸收性能等方面對(duì)絕緣主體的材料提出了新的要求。

（4）2011年-至今，這一時(shí)期主要從主體成分的晶相以及各組分的含量方面對(duì)絕緣套筒的材料進(jìn)行改進(jìn)，還從材料的熱處理方式上進(jìn)行了一系列研究。在涂層方面，從涂層的位置、長(zhǎng)度、厚度等方面進(jìn)行了研究，并進(jìn)一步對(duì)其組分進(jìn)行了改善，同時(shí)還提出了導(dǎo)電涂層的概念。

4.總結(jié)與展望

從該領(lǐng)域整體的發(fā)展趨勢(shì)可以看出，日本對(duì)這一領(lǐng)域研究較早，特別是以日本特殊陶業(yè)株式會(huì)社公司為主的火花塞制造企業(yè)具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，這與日本發(fā)達(dá)的汽車(chē)制造業(yè)緊密相關(guān)，其對(duì)于火花塞絕緣套筒的材料以及結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)化研究，值得國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)進(jìn)行借鑒和學(xué)習(xí)。我國(guó)由于汽車(chē)行業(yè)起步較晚，火花塞研究從2000年后期才陸續(xù)出現(xiàn)，近十年來(lái)隨著汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展，也帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)火花塞行業(yè)的發(fā)展，涌現(xiàn)了以珠江湘火炬火花塞有限責(zé)任公司為代表的企業(yè)和個(gè)人，特別是珠江湘火炬公司近幾年的專(zhuān)利申請(qǐng)量增長(zhǎng)較為明顯，但較日本企業(yè)仍有一定的差距。隨著國(guó)內(nèi)創(chuàng)新環(huán)境的不斷改善、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)的不斷增強(qiáng)，相信在未來(lái)的汽車(chē)配件市場(chǎng)，會(huì)有越來(lái)越多的內(nèi)燃機(jī)安裝上具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的火花塞。