CN101006255B - 预燃室火花塞 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种方法和装置，使利用超稀混合物和/或在升高的发动机BMEP下工作的预燃室火花塞的火花塞寿命最大化。通过在较大表面积上分布放电能量，维持火花间隙中的燃料浓度，控制放电期间的气体静压以及维持安全电极温度减少了电极腐蚀。能量通过由端帽内的外围孔产生的涡旋作用分布，导致在电极上较小比能的放电。分叉配置的电极降低了高工作压力下的火花电压和点火所需能量。在电极上产生的流场防止了由于水冷凝而引起的短路，避免了点火不良。中心电极绝缘提供了有效的传热路径以防止电极过热和提前点火。电极后面的容积提供了用于来自前述燃烧循环的燃烧产物的容积，并且导致更可靠的点火。

Description

预燃室火花塞
技术领域
本发明涉及预燃室火花塞，并且更特别地涉及用于稀燃发动机的预燃室火花塞。
背景技术
依靠气体燃料，例如天然气工作的发动机通常供给有稀燃料混合物，其为包含较高空燃比的空气与燃料的混合物。稀燃料混合物经常导致点火不良、爆燃、不完全燃烧和不良燃料经济性。导致这种情况的一个因素是传统火花塞不能有效点燃工作发动机的汽缸内的稀燃料混合物。使用预燃室可以实现稀燃料混合物更有效的燃烧。
预燃室(即，预燃烧室)火花塞在预燃室中使用并且通常用于提高稀燃发动机例如天然气稀燃发动机中的稀燃极限(lean flammabilitylimits)。在已知的预燃室火花塞例如美国专利5,554,908中公开的预燃室火花塞中，火花间隙限制在一空腔内，该空腔具有通常小于发动机汽缸排量百分之三的容积。该空腔的顶部为圆顶形状并具有许多切向进气/喷射口。在工作期间，当发动机活塞在压缩循环期间向上移动时，空气/燃料通过预燃室中的进气口压入。所述进气口的朝向在预燃室腔内部产生涡旋运动。
空气和燃料之间的密度差连同涡旋运动一起造成了预燃室空腔内的燃料分层。当火花间隙在合适位置时，可以在富燃料区域内实现有效的点火。预燃室腔内的燃料迅速燃烧可以导致火焰射流有利地进入发动机燃烧室。这些火焰射流提供了在较稀薄空气/燃料混合物情况下在发动机燃烧室中实现更为迅速和可重复的火焰传播。
现有技术没有解决的一个问题是火花塞在超稀空气/燃料混合物(lambda＞1.75)和高BMEP(平均有效制动压力)(＞18bars)下工作。在这种工作条件下，火花塞寿命往往很短。因此，高效率和大功率密度气体发动机的商业化是不切实际的。
现有技术没有描述预燃室腔、进气/喷射口、电极的形状和位置所需的属性和配置，其尤其是在超稀空气/燃料混合物和高BMEP情况下使电极腐蚀最小化和使火花塞寿命最大化。现有技术也没有解决造成短路和火花塞点火不良的位于火花塞预燃室内和电极之间的冷凝水问题。另外，现有技术没有解决火花塞表面过热并引起提前点火的问题。
本发明提供了这样的属性和配置以使发动机在超稀空气/燃料混合物和高BMEP下工作。本发明的这些及其他优点，以及附加的发明特征将通过此处提供的发明说明变得显而易见。
发明内容
本发明提供了一种方法和装置，使利用超稀混合物和/或在升高的发动机BMEP下工作的预燃室火花塞的火花塞寿命最大化。通过将每一电极单位表面积上的放电能量分布在较大面积上、维持火花间隙中的燃料浓度、控制放电时的气体静压以及将电极温度维持在其安全工作范围内则减少了电极腐蚀。
通过在空气/燃料混合物中产生涡旋模式使放电能量分布在较大的表面积上。在一个实施例中，涡旋模式利用火花塞端帽中的外围孔实现，所述外围孔在端帽中以一定角度钻出。涡旋作用通过产生对火花放电起作用并使电弧移动的流场力而导致电极上较小比能的放电，从而减缓了电极腐蚀速率。
火花塞电极通过形成接地电极和/或中心电极的形状而布置为可变配置，从而产生尺寸可变的火花间隙。尺寸可变的火花间隙导致高工作压力下点火所需的火花电压降低，从而减少了点火所需能量。可变配置还导致以稀空/燃比工作的发动机可靠点火，这是由于尺寸可变的火花间隙的最小间隙有效地使燃料集中在小间隙中。
预燃室火花塞的中心电极伸入预燃室腔。因此，中心电极暴露于预燃室腔内空气/燃料混合物的燃烧中，从而导致温度升高。用于中心电极的陶瓷绝缘设计成能提供有效的传热路径以防止可能造成提前点火的中心电极过热。
接地电极后面的容积提供了用于来自前述燃烧循环的燃烧产物的容积，并且尤其在极稀薄的空气/燃料混合物时提供更可靠的点火。该容积允许燃烧产物在用于另一燃烧循环的空气/燃料混合物吸入预燃室时被向后推动。该容积尺寸设置成利用极稀薄的空气/燃料混合物实现有效点火。在一个实施例中，火花间隙后面的容积与火花塞预燃室容积之比大于发动机燃烧室容积与发动机排量之比。
在结合附图考虑时，本发明的其他方面、目标和优点将通过下面的详细说明变得更加明显。
附图说明
图1是流程图，显示了使根据本发明教导的预燃室火花塞的火花塞寿命最大化所采取的全部步骤；
图2是根据本发明教导的预燃室火花塞的等角视图；
图3是图2所示预燃室火花塞的放大图；
图4是图2所示预燃室火花塞的局部剖视图；
图5a是图2所示预燃室火花塞端帽的前视图，显示了根据本发明教导的进气口；
图5b是图5a所示端帽的剖视图；
图6a是沿图4中直线6a、6b-6a、6b剖开的根据本发明教导的接地电极实施例的剖视图，所述接地电极具有分叉电极配置；
图6b是沿图4中直线6a、6b-6a、6b剖开的根据本发明教导的接地电极可选实施例的剖视图，所述接地电极具有分叉电极配置；
图7是图6a所示接地电极的剖视图，并且具有放置在该接地电极上的图5a、5b所示的进气口；
图8是所示接地电极的可选实施例的剖视图，并且具有放置在该接地电极上的图5a、5b所示的进气口；
图9是流程图，显示了使用转接器由标准火花塞制造预燃室火花塞的步骤；
图10是利用转接器改造标准火花塞以制成预燃室火花塞的剖视图；和
图11是具有略微伸出的端帽的预燃室火花塞的剖视图。
尽管本发明将参照特定优选实施例进行描述，但是并不意味着将本发明限制到这些实施例。相反地，在所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，该意图将包含全部可选方案、变型和等效物。
具体实施方式
本发明提供了一种方法和装置，以使利用超稀混合物和在升高的发动机BMEP下工作的预燃室火花塞的火花塞寿命最大化。影响电极腐蚀的关键因素包括每个电极单位表面积上的放电能量、火花间隙中的燃料浓度、放电时的气体静压，以及电极温度。
图1显示了使利用超稀混合物和在升高的发动机BMEP下工作的预燃室火花塞的火花塞寿命最大化的全部步骤。首先将对该全部步骤进行简要描述。当在此使用时，超稀混合物是指至少为1.75的过量空气因数lambda(λ)，其中λ根据下述等式而与空燃比相关：
Figure S05827882X20070225D000041
过量空气因数λ表示空燃比高于或低于理论混合物的量。
现在参照图1，最大化火花塞寿命的一个步骤102是提供用于产生流场力的路径。流场力对火花放电起作用并且使工作期间产生的电弧移动。因此，火花能量分配在较大的电极表面上，导致在单位表面上释放较小比能。当在电极上释放较小比能时，实现了减缓的电极腐蚀速率。某些工作条件可能需要大约30米/秒的流场。
使火花塞寿命最大化的另一个步骤104是在电极间隙区域下方提供足够的容积，以在工作期间容纳来自上述循环的燃烧产物。该容积在一个实施例中大于火花塞预燃室容积×汽缸容积比。即使在极稀薄空气/燃气混合物情况下，该特征也允许有效的点火。与该步骤同时或与该步骤分开进行的应该是优化(例如，最小化)传热路径以防止电极过热。
使火花塞寿命最大化的另一步骤106是以可变配置布置电极，从而存在约为0.005-0.010英寸的最小间隙和约为0.03-0.05英寸的最大间隙。该尺寸可变的间隙有效地降低了高BMEP下火花击穿电压要求，还允许在稀薄空/燃比下进行可靠点火。
使火花塞寿命最大化的另一步骤108是在点火时提供流场，其适于在火花间隙附近聚集较浓的空气/燃料混合物。流场特征由发动机火花定时和预燃室火花塞的进气/喷射口配置决定。约为5-30米/秒的高流场和上止点前约为20-40曲柄角的大提前火花定时是优选的，这是因为间隙处的静压减小，因此降低了火花击穿电压要求。
现在参见图2-4，显示了预燃室火花塞200的实施例，该预燃室火花塞200结合有与图1所示步骤相关的结构。火花塞在现有技术中是已知的，预燃室火花塞200的常规部分不必在此进行详细说明。火花塞200包括圆柱壳202和绝缘体，所述绝缘体放入壳202中使尖部204伸出壳202。壳体202典型地由金属材料例如低碳钢制成。中心电极206设置在绝缘体内部使得尖部204的一部分从绝缘体伸出。所述尖部用于提供在预燃室火花塞200中的空气/燃料混合物燃烧期间来自中心电极206的传热路径。
在常规火花塞中，使用了接地电极，其中接地电极的一端通过例如焊接连接到壳体上，并且相对的端部横向弯曲使得其侧面面向中心电极206的尖部。与常规火花塞不同，本发明的接地电极208为盘形并且紧邻中心电极206的端部210安装。尺寸可变的火花间隙212形成在接地电极208和中心电极206之间。接地电极208的位置取决于发动机容积比。发动机容积比是总汽缸容积与主燃烧室容积之比。在一个实施例中，选择预燃烧室中接地电极208的位置使得总预燃烧室容积与接地电极208后面的容积(即，与端帽214相对的容积)之比小于发动机容积比。以等式形式，该情况为：
V p V g < V t V c
其中Vp是总预燃烧室容积(2181+2182)，Vg是接地电极208后面的剩余容积(2182)，Vt是总汽缸容积(即，活塞排放容积)，Vc是燃烧室容积(即，具有空气/燃料混合物的汽缸容积)。例如，假定Vt/Vc大约为10，那么Vp与Vg之比应当小于10。接地电极208后面的容积提供了用于剩余燃烧产物的容积，该剩余燃烧产物(在上述燃烧周期内)未排出预燃烧室。在空气/燃料混合物进入预燃烧室期间，所述剩余燃烧产物稀释了空气/燃料混合物。
应当注意，火花塞温度是总预燃烧室容积的函数。当主要由于较多燃料在腔室中燃烧引起容积增大时，火花塞温度通常升高(即，变得更热)。当温度升高时，发生了提前点火的可能性。然而，燃烧性能通常在体积增大时得以改进，因为喷射到进口中的高温气体增加，其导致更多气体进入主燃烧室并产生增强燃烧的较大卷流。因此，Vp与Vg的实际比值基于发动机性能和希望性能。例如，在一个发动机中，Vp/Vg为5优于Vp/Vg为3，而在另一个发动机中，Vp/Vg为3优于Vp/Vg为5。
不同于传统火花塞，壳体202延伸超过接地电极206的端部210。螺纹部分214形成在壳体202的外圆周表面上并适于将火花塞200安装在发动机本体上，使得壳体202的一部分延伸到发动机(未显示)的预燃室中。
端帽(旋流器)216包括壳体202，形成预燃室腔218。预燃室腔218由位于电极208前面的可燃容积2181和电极后面208的剩余容积2182组成。现在参照图5a和5b，端帽214包括钻孔220、222，用于在工作期间使新鲜空气/燃料混合气进入和燃烧产物排放。所述孔面积和有效流量系数大小设置成确保最佳的″呼吸″效率。例如，孔面积应该足够大以允许在次音速活塞运动(例如活塞通过上止点)期间预燃室腔218的填满，同时足够小以使排气(即，卷流)为声速。在一个实施例中，使传热最大化并使提前点火可能性最小化的端帽(旋流器)配置是与汽缸盖″齐平″。根据燃烧室配置和汽缸盖设计，可以有效地构造略微伸出的旋流器(参见图12)。
中心孔220通常笔直(即，平行于火花塞200的中心线)。外围孔222为倾斜的以在排气中产生涡旋模式。气体/燃料混合物的涡旋导致工作期间产生的电弧移动，使得电弧中的能量在接地电极208和中心电极206的较大表面上消散，从而降低接地电极208和中心电极206的温度。角度θ、α和距离d1、d2根据发动机性能例如活塞冲程的速度进行选择。在一个实施例中，外围孔222的尺寸设置成在放电(即，在主燃烧室内点火)期间使外围孔中的流动节流，从而通过中心孔220发生主要流动(即，高温气体排放)，同时在气体进入空腔218期间提供足够的流体以提供有助于预燃烧室内气体点火的涡旋作用。涡旋作用提高了燃烧稳定性，并且当具有合适大小时，它不会产生过度的节流。斜孔222导致对火花放电产生作用的流场力的生成，如下文所述的那样。在一个实施例中，斜孔222的直径为0.060英寸，中心孔220的直径为0.065英寸。火花间隙处的高流速还提供了其他优点，即吹走在发动机关闭时凝结的所有水分。
现在参见图6a和6b，电极208的形状制成相对于中心电极206分叉。电极208的分叉导致电弧放电延长以及尺寸可变的火花间隙212。例如，在图6a中，接地电极为叶形，使得火花间隙212相对于中心电极206为凹形。可以看出，火花间隙212在位置224处具有最小间隙尺寸，并且火花间隙212在最小间隙的每一侧分叉。在一个实施例中，所述间隙尺寸范围从用于在高BMEP时工作的大约0.005-0.010英寸的最小间隙到大约0.030-0.050英寸的最大间隙之间变化。应当注意，最小间隙可以更小，但是目前的制造公差限制了在不使用高成本生产技术的条件下间隙小到什么程度。0.005英寸的间隙在制造公差最小的情况下就足够高了。尺寸可变的间隙212在减少高压下火花电压要求(即，驱动电压)方面是有效的。另外，在稀空/燃比条件下，可变尺寸提供了在工作期间更可靠的点火。图6b显示了可变火花间隙212的可选实现方式。
如先前指出的，本发明产生了对火花放电起作用的流场力并且使电弧移动并将火花能量分布在较大的表面积上。这可以从图7看出，其显示了放置在接地电极208上的端帽216的外围孔222。该图显示了由箭头300表示的对电弧302起作用的流场力。在没有流场力的情况下，电弧将集中在最小间隙位置224处。在有流场力的情况下，电弧移动并且与电弧相关的能量分配在如参考数字304表示的较大面积上。如图7所示，进气/喷射口222的配置导致主要沿箭头300方向移动的流场。利用不同的配置，流场可以沿其他方向移动。进气/喷射口222的配置应当被设置成使得流场在点火时将较浓的空气/燃料混合物集中在火花间隙212附近以提高工作性能。应当注意，除了进气/喷射口222的配置以外，流场特征还由发动机火花定时表示。约为5-30米/秒的高流场和上止点前约为20-40曲柄角的大提前火花定时减少了火花间隙212处的静压，其导致火花电压的驱动电压要求降低。图8显示了当流场对电弧起作用时接地电极208的另一个实施例。应当注意，中心电极206为长方形以代替圆形，并且接地电极208为齿形(即，梯形)。
在上述描述中，根据一体的壳体结构(参见图2)描述了预燃室火花塞。但是该壳体还可以采取多件式壳体结构。例如，通过将转接器增加到标准火花塞的现有壳体上制成预燃室火花塞壳体，可以使标准火花塞变为预燃室火花塞。现在参见图9-10，在一个实施例中，预燃室火花塞可以使用转接器450由标准火花塞制成。转接器450的尺寸设置成与接地电极208、端帽216相配合并提供具有如上所述的Vp/Vg的预燃室腔218。通过磨削或其他操作去除火花塞壳体454上的螺纹452(步骤400)。转接器450的内径加工成使表面464相对于已经移除螺纹的壳体454而言提供适度的收缩配合(步骤402)。在一个实施例中，收缩配合约为0.002英寸。转接器被预加热并在火花塞壳体454上滑动(步骤404)。应当使用夹具将火花塞壳体454固定到转接器450上，从而确保存在适当的接触用于如箭头所示从中心电极206向转接器450的传热路径。主传热路径是从中心电极206、通过绝缘体204、离开锥形座458，并经垫圈例如铜垫圈进入汽缸盖(未显示)。传热路径提供了用于由预燃烧室218中空气/燃料混合物点火引起的中心电极热量的路径，并且对于长火花塞寿命和防止提前点火来说是重要的。转接器450经焊接(如参考数字460所示)等手段与火花塞壳体454相结合(步骤406)。典型地，焊接工艺使用通常称作惰性气体保护钨极焊(TIG)的气体保护钨电弧焊(GTAW)或其他类型的焊接完成。可以使用例如铜焊的其他技术，只要该技术能够在350摄氏温度下承受大约2500psi压力即可。
在集成了转接器450之后，转接器装配完成(步骤408)。该完成包括将接地电极208安装在空腔218中并且安装端帽216。应当注意，如果端部210要与接地电极208齐平的话，中心电极端部210可能需要加工。在一个实施例中，接地电极208利用一个或多个密封或垫圈462抵靠内阶固定。接地电极208还可以利用位于接地电极208两侧的密封或垫圈固定在适当位置上。可选地，转接器450的内径可具有螺纹并且该接地电极利用螺纹固定在适当位置上。尽管端帽216显示为装在转接器450(或壳体202)内部，但是人们注意到，端帽216可以安装在转接器450(或壳体202)上或与转接器450(或壳体202)的外径齐平。
如前所述，略微伸出的旋流器可以根据燃烧室配置和汽缸盖设计构造。现在参见图12，在可选实施例中，显示了旋流器216′，其从壳体202(或转接器450)的端部略微伸出。旋流器216′具有如上文相对于旋流器216所描述的中心孔220′和外围孔222′。旋流器216′通过焊接、铜焊等手段连接到壳体202上。
通过上面的描述，可以看出已经描述了一种方法和装置，其使利用超稀混合物和在升高的发动机BMEP下工作的预燃室火花塞的火花塞寿命最大化。影响电极腐蚀的关键因素包括每个电极单位表面积上的放电能量、火花间隙中的燃料浓度、放电时的气体静压以及电极温度。通过由端帽中的外围孔产生的涡旋作用使放电能量分布在较大表面积上。涡旋作用导致电极上较小比能的放电，其降低了电极腐蚀速率。此外，在分叉电极间隙处获得的高流场确保了任何冷凝水在放电发生之前被吹走。由接地电极和/或中心电极的形状引起的电极分叉配置降低了高工作压力下的火花电压，从而减少了点火所需能量，同时在稀空/燃比下提供可靠点火。用于中心电极的陶瓷绝缘的设计提供了有效的传热路径以防止中心电极过热。接地电极后面的容积提供了用于来自前述燃烧循环的燃烧产物的容积，并且利用极稀薄的空气/燃料混合物提供更可靠的点火。
在描述本发明的上下文(尤其是下列权利要求的上下文)中使用的术语″一(a)″、“一(an)”和″该(the)″及类似用语将解释为包括单数和复数，除非此处另外指出或与上下文明显矛盾。术语″包括(comprising)″、″具有(having)″、“包括(including)”、″包含(containing)″将解释为开放式术语(即，意味着″包括但不限于″)，除非另作说明。此处列举的数值范围仅作为分别指示落入所述范围的每个单独数值的简写方法，除非此处另外指出，并且每个单独数值结合在说明书中就像它在此分别阐述一样。此处所描述的所有方法可以按照任何适当的顺序执行，除非此处另有指出或与上下文明显矛盾。此处提供的任何实例或示例性语言(例如，″诸如(such as)″)仅用于更好地描述本发明，而不用于限制本发明的范围，除非另外要求。说明书中的语言应当认为指出了对于实施本发明所必需的、所宣称的元素。
此处描述了本发明的优选实施例，包括发明人所知用于执行本发明的最佳方式。当阅读上述说明时，这些优选实施例的变化对于本领域的技术人员来说是显而易见的。本发明人希望技术人员适当地应用这种变化，并且本发明人预料到本发明能够以除了此处特别描述以外的方式实施。因此，本发明包括权利要求书所述主题的全部变型和等效物，所述权利要求书在适用法律允许的情况下附加到本申请中。而且，本发明包括上述元件在其所有可能变形中的任何组合，除非此次另有指出或与上下文明显矛盾。

Claims (10)

1.一种预燃室火花塞，包括：
中心电极；
界定了预燃烧室的金属壳体；
设置在所述中心电极和所述金属壳体之间的绝缘体；
连接到所述金属壳体上的接地电极，所述接地电极的形状制成相对于中心电极分叉而界定相对于中心电极而言尺寸可变的火花间隙；和
安装到所述金属壳体上的端帽，该端帽具有至少一个进气口。
2.如权利要求1所述的预燃室火花塞，其中，预燃烧室具有总容积并且所述金属壳体的尺寸设置成使接地电极后面的容积为：
Volume > V prechamber V ratio
其中，Vprechamber是总容积，Vratio是发动机容积比。
3.如权利要求1所述的预燃室火花塞，其中，所述接地电极为叶形。
4.如权利要求1所述的预燃室火花塞，其中，所述中心电极界定了轴向轴线，其中，所述至少一个进气口包括至少一个外围孔，该外围孔相对于沿中心电极的轴向轴线成一定角度。
5.如权利要求4所述的预燃室火花塞，其中，所述至少一个进气口还包括中心孔。
6.如权利要求5所述的预燃室火花塞，其中，所述中心孔具有轴线，其平行于所述轴向轴线并与该轴向轴线一致。
7.如权利要求1所述的预燃室火花塞，其中，相对于中心电极而言尺寸可变的火花间隙具有在0.005-0.010英寸范围内的最小间隙。
8.如权利要求7所述的预燃室火花塞，其中，相对于中心电极而言尺寸可变的火花间隙具有在0.03-0.05英寸范围内的最大间隙。
9.如权利要求1所述的预燃室火花塞，其中，绝缘体提供了防止中心电极过热的传热路径。
10.如权利要求1所述的预燃室火花塞，其中，所述金属壳体的尺寸设置成当预燃室火花塞安装在发动机中时，端帽位于燃烧室内。
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