火花塞絕緣套筒專利技術發展分析

苗舒越

【摘 要】本文通過對火花塞絕緣套筒技術領域的專利申請進行了統計分析，對絕緣套筒的材料技術發展路線進行了梳理，總結了火花塞絕緣套筒技術的發展現狀，并對未來趨勢進行了展望。

【關鍵詞】火花塞；絕緣套筒；專利分析

1.前言

內燃機用火花塞是安裝于內燃機發動機上、用于對燃燒室內的混合氣體進行點火的構件。通常的火花塞包括具有軸孔的絕緣套筒、穿過該軸孔的中心電極、設于絕緣套筒外周的金屬殼體、設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，從而當在中心電極上施加高電壓時，能夠在中心電極與接地電極之間產生電壓差以在二者之間形成火花放電點燃內燃機中的油氣混合物，由此可知，絕緣套筒的絕緣性能會直接影響火花塞點火的可靠性。

2.專利申請整體情況

火花塞絕緣套筒相關的專利申請狀況可以大致分為三個階段：

（1）起步階段（1997年之前）

1988年，日本電裝株式會社提出在絕緣套筒的主要材料氧化鋁中加入鎂以及過渡金屬元素以提高其機械強度以及耐熱性。此后，從1988至1996數年間，專利數量并沒有明顯的增長，專利申請基本為日本、美國、德國所壟斷。在該階段申請人主要就絕緣套筒材料的組成、含量、粒徑等方面進行了專利布局，此時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社開始在美國進行相關的專利布局，日本特殊陶業株式會社在德國進行相關的專利布局，這主要源于美國、德國、日本為當時汽車產業較為發達的國家，用于汽車內燃機的火花塞技術的發展一定程度上也反映了汽車工業的發展。

（2）增長階段（1997年-2006年）

在增長階段中日本的專利申請所占比例最大，顯著高于其他各國，可見日本已經在該領域獲得了比較大的技術優勢。在1999-2001年間，各公司主要就如何通過摻雜提高絕緣套筒的機械強度以及耐熱性進行專利布局，可見當時各公司還在繼續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，在2000-2003年間，日本特殊陶業株式會社公司主要研究了就如何通過絕緣套筒涂層的組分以改善其性能，即當時日本特殊陶業公司已經圍繞絕緣套筒涂層的組分及其含量進行了一系列的定量分析研究。2003年，日本特殊陶業株式會社對絕緣套筒與金屬外殼結合處的形狀及尺寸提出專利申請，標志著申請人開始對絕緣套筒的形狀結構進行系統化的研究改進。由上可知，在這段時間內，各公司主要圍繞絕緣套筒材料的組分、含量、粒徑等方面進行了改進，并在絕緣套筒涂層的研究上投入大量精力，進行了一系列的相關研究，同時還開始將注意力轉向對于絕緣套筒結構及形狀的改進上。

（3）成熟階段（2007年-至今）

這一階段日本公司進一步拉開了與競爭對手之間的差距，其申請量已經遙遙領先于其他國家的申請人，說明其前期的技術積累已為其贏得了該領域的龍頭地位。另外值得注意的是，該階段的申請人出現了弗拉明集團這種專門經營知識產權的公司，這也是該技術領域進入成熟階段的重要標志。由于日本特殊陶業在該領域中的統治地位，日本專利申請量所占的比重相對于上一階段繼續增加，相應的，美國專利申請量所占比重受到蠶食有所下降，第三梯隊的德國、法國等維持不變。在該階段，以日本特殊陶業為首的日本公司主要對絕緣套筒的形狀結構進行了一系列改進，包括前端部、與金屬外殼的結合處、后端部等多個部位的改進，并在其間穿插進行了一些材料組分方面的改進，主要是在晶相層面進行了一系列研究。而歐美公司則主要對絕緣套筒的材料組分繼續進行改進，使其滿足一定的光學性能或具有一定的UV吸收性。

3.材料技術發展情況

隨著技術的不斷發展，火花塞絕緣套筒的材料及其所得達到的技術效果也隨之不斷變化：

（1）1998年之前，這一時期主要是對以氧化鋁瓷筒為主要材質的絕緣套筒的成分進行嘗試性地改進，在先與在后申請之間的關聯性不大，沒有形成清晰的技術路線與完整的技術體系。同時，在該階段中，雖然已經有申請人提出了在絕緣套筒上涂覆涂層的技術方案，但還僅僅停留在概念層面，并沒有對其進行定性或定量的深入分析與研究。

（2）1999年-2006年，這一時期對于絕緣套筒的主體成分的構成已經形成了完整的體系，對其改進的方向主要在于摻雜不同的元素以改善其機械強度以及耐熱性。對于涂層的改進也形成了一條清晰的技術路線，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，這一時期開始從微觀層面對絕緣套筒的主體成分進行研究，主要著眼于絕緣套筒材料內部形成的氣孔以及各種成分的粒徑對其性能的影響，同時還從光學性能以及UV射線吸收性能等方面對絕緣主體的材料提出了新的要求。

（4）2011年-至今，這一時期主要從主體成分的晶相以及各組分的含量方面對絕緣套筒的材料進行改進，還從材料的熱處理方式上進行了一系列研究。在涂層方面，從涂層的位置、長度、厚度等方面進行了研究，并進一步對其組分進行了改善，同時還提出了導電涂層的概念。

4.總結與展望

從該領域整體的發展趨勢可以看出，日本對這一領域研究較早，特別是以日本特殊陶業株式會社公司為主的火花塞制造企業具有較大的技術優勢，這與日本發達的汽車制造業緊密相關，其對于火花塞絕緣套筒的材料以及結構的系統化研究，值得國內相關企業進行借鑒和學習。我國由于汽車行業起步較晚，火花塞研究從2000年后期才陸續出現，近十年來隨著汽車行業的快速發展，也帶動了國內火花塞行業的發展，涌現了以珠江湘火炬火花塞有限責任公司為代表的企業和個人，特別是珠江湘火炬公司近幾年的專利申請量增長較為明顯，但較日本企業仍有一定的差距。隨著國內創新環境的不斷改善、知識產權保護意識的不斷增強，相信在未來的汽車配件市場，會有越來越多的內燃機安裝上具有自主知識產權的火花塞。