CN101512856A - 具有单独壳体安装的电极的火花塞 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于排气处理装置(46)的火花塞装置(54)。该火花塞装置可以具有主体(86)和从该主体的一端伸出的中央电极(90)。该火花塞装置还可以包括具有能够容纳该主体的孔(66)的安装构件(50)，以及在该中央电极的近侧延伸的接地电极(74)。

Description

具有单独壳体安装的电极的火花塞

技术领域

本发明涉及一种火花塞，更具体地说，涉及一种具有接地电极的火花塞，该接地电极与火花塞是分开的且被安装到接收火花塞的壳体构件上。

背景技术

发动机，包括柴油机、汽油机、气态燃料动力发动机以及本领域公知的其它发动机点燃喷射的燃料以产生热量。这个过程产生的热量可以被转化为机械能和电能，或者被用来增加特定发动机部件的温度。例如，燃料可以被喷射到发动机的燃烧室中并通过火花塞被点燃。由该燃烧所产生的热量和膨胀气体可能被用于移动活塞或者推动涡轮叶片，活塞和涡轮叶片都可以被连接到发动机曲轴上。当活塞被移动或者涡轮叶片被推动时，就引起曲轴旋转。该旋转可以被直接用于驱动一装置，例如用于驱动车辆的变速器或者用于产生电能的发电机。在另一个例子中，燃料可以被附加地或者替代地射入排气流中，并被火花塞点燃。该燃烧所产生的热量可被用于负载颗粒的过滤介质以使介质再生，或者用于催化装置中来改善装置的工作效率。

在上述的任一个例子中，火花塞相对于燃料喷射的几何结构和定向能影响相关发动机的工作。特别是，如果火花塞的几何结构和/或定向使得在相对于燃料喷射的期望位置产生电弧，那么就会产生高效和正时的燃烧。然而，如果火花塞的几何结构和/或定向使得在不期望的位置产生电弧或者燃料喷射被火花塞打断或者阻隔，那么燃烧就会发生在不期望的位置或者时间，或者有可能根本不燃烧。

在1991年1月29日授予Lopez-Crevillen等人的美国专利No.4987738(’738专利)中描述了关于喷射燃料和用火花塞点燃喷射的燃料的一个例子。具体地，’738专利中公开了具有用于烧掉被捕获的颗粒的燃烧器的颗粒过滤器。该燃烧器包括在再生过程中用于向燃烧器内喷射燃料的燃料喷射器喷嘴。当燃料在压力下通过喷嘴喷射到燃烧器装置中，它被高压空气雾化。向燃烧器内的点火器供应能量来点燃空气-燃料混合物，并且燃烧的混合物与计量的废气结合。如’738专利中的图1所阐述的，点火器包括一典型的火花塞，该火花塞具有中央电极和连接到火花塞一侧的接地电极。

尽管’738专利的喷射器喷嘴和点火器装置可能适用于某些情况，但是它有可能会出现导致燃烧器不良工作的不合适装配。具体地，因为接地电极被连接到点火器的一侧(即火花塞)，所以火花塞的错误定向，例如火花塞被转动过量或者不足的角度时，就会使得接地电极阻碍来自喷射器喷嘴的燃料喷射。燃料喷射的阻碍反过来会影响燃烧。

此外，’738专利中的喷射器喷嘴和点火器装置也可能不可靠且易于出现无意的电弧。也就是说，因为接地电极被连接到火花塞，且由于燃烧器内的空间限制，从而接地电极可以具有相对较小的横截面。小横截面外加一大悬臂距离(即接地电极从火花塞延伸出来的距离)会导致接地电极的振动。该振动如果大的话，会导致对接地电极的损坏和/或无意的电弧，该电弧沿着接地电极的长度而非在接地电极的末端处。此外，在燃烧器工作期间，还有可能在接地电极和中央电极之间的空间内充满碳、杂质或碎屑。如果没有办法移除这些碎屑，就会出现无意的电弧。

发明内容

本发明的火花塞能解决上述这些问题中的一个或一些。

本发明的一个方面是涉及一种火花塞装置。该火花塞装置可以包括主体，以及从主体的一端伸出的中央电极。该火花塞装置还可以包括带有能够容纳主体的孔的安装构件以及在中央电极的近侧延伸的接地电极。

本发明的另一方面是涉及一种与具有接地电极的安装构件一起使用的火花塞。该火花塞可以包括能够插入到安装构件中的主体。该火花塞还可以包括仅仅一个正电极，该正电极能够与接地电极配合。

本发明的又一方面涉及一种点燃燃料的方法。该方法可以包括将燃料喷射到室中，以及将空气引入该室。该方法还可以包括将该室的一部分接地，以及向一电极导入电流从而在该电极和该室的接地部分之间产生电弧。

附图说明

图1是根据本发明的示例性的功率单元的示意图；

图2A是与图1的功率单元一起使用的根据本发明的示例性的再生装置的剖视图；以及

图2B是图2A的再生装置的示图。

具体实施方式

图1示出了一功率单元10，该功率单元具有共轨燃料系统12、吹扫系统13以及辅助再生系统14。出于本发明的目的，功率单元10被描绘和描述成四冲程柴油机。然而本领域技术人员应该意识到，功率单元10可以是任何其他类型的内燃机，例如，汽油机或者气态燃料动力发动机。功率单元10可包括至少部分地限定了多个燃烧室(未示出)的发动机本体16。在所示实施方式中，功率单元10包括四个燃烧室。然而，可以预见功率单元10可能包括更多或者更少数量的燃烧室，且燃烧室可以布置成“直列式”构造、“V型”构造或者其他任何合适的构造。

同样如图1中所示，功率单元10可以包括可旋转地布置在发动机本体16中的曲轴18。连杆(未示出)可以将多个活塞(未示出)连接到曲轴18上，从而使得每个活塞在各自的燃烧室中的滑动运动引起曲轴18的旋转。类似地，曲轴18的旋转可能导致活塞的滑动。

共轨燃料系统12可以包括相互协作以将加压燃料的喷射传递到各燃烧室中的部件。具体地，共轨燃料系统12可以包括能够保持燃料供给的容器20，以及燃料泵送装置22，该燃料泵送装置能够对燃料进行加压并将加压燃料通过共轨24引到多个燃料喷射器(未示出)。

燃料泵送装置22可以包括一个或多个泵送装置，所述一个或多个泵送装置起到增加燃料压力并且将一条或多条加压燃料流引到共轨24的作用。在一个例子中，燃料泵送装置22包括串联布置且通过燃料管路30流体连接的低压源26和高压源28。低压源26可以具体化为向高压源28提供低压供给的输送泵。高压源28可以接收低压供给并将燃料的压力增加到大约30-300Mpa的范围。高压源28可通过燃料管路32连接到共轨24上。一个或多个过滤元件34，如初级过滤器和二次过滤器，可以串联布置在燃料管路32中，用来从由燃料泵送装置22加压的燃料中移除碎屑和/或水。

低压源26和高压源28中的一个或两个可操作地连接到功率单元10并被曲轴18驱动。低压源26和/或高压源28可以以本领域技术人员熟知的任意一种方式连接到曲轴18上，其中曲轴18的旋转会引起泵轴的相应驱动旋转。例如，图1中所示的高压源28的泵驱动轴36通过齿轮系38连接到曲轴18上。然而，可以预见，低压源26和高压源28中的一个或两个可替代地被电驱动、液压驱动、气动或任何其他适合的方式驱动。还应该进一步预见到，共轨燃料系统12可替代地具体化为另一种类型的燃料系统，例如机械单元燃料喷射系统，在该系统中喷射燃料的压力在各自的喷射器中产生或增大，而没有使用高压源。

吹扫系统(purge system)13可对气体加压，并向辅助再生系统14供应该加压气体以用于吹扫和/或燃烧目的。例如，一种气体，例如压缩空气可被引入到辅助再生系统14中以清除其部件中的残留燃料和/或污染物。替代地或者附加地，该吹扫用气体可被引入与燃料混合，从而帮助辅助再生系统14中的燃烧。为了这些目的，吹扫系统13可包括如压缩机、气泵或其他任何合适源的气源44以及如容器或存储器的存储容器，在气源44工作或不工作的情况下，该存储容器都具有足够的容量来完成吹扫和/或燃烧过程。吹扫通道40可在任何上游位置将辅助再生系统14的部件流体地连接到气源44上。单向阀42可以布置在吹扫通道40中以确保阻止燃料和其他污染物通过吹扫通道40流入气源44。通过吹扫通道40的吹扫用气体的流动可以通过合适的阀装置(未示出)来控制。

辅助再生系统14可以与排气处理装置46关联。具体地，当来自功率单元10的排气流过排气处理装置46时，颗粒物质可以通过金属丝网或蜂窝陶瓷过滤介质48从排气流中移除。随着时间的过去，颗粒物质可以堆积在过滤介质48上，如果放着不去制止的话，颗粒物质的堆积会大到限制、甚至阻塞排气流通过排气处理装置46，从而使得功率单元10中的背压增加。功率单元10的背压的增加会降低功率单元吸入新鲜空气的能力，从而导致性能降低，排气温度增高，以及油耗变差。

如图2A和2B中所示的，辅助再生系统14可以包括能相互协作以周期性地减少颗粒物质在过滤介质48中的堆积的部件。这些部件可包括壳体50、喷射器52，以及火花塞54。应该预见到，辅助再生系统14可包括附加的或者不同的部件，例如一个或多个导向喷射器、附加的主喷射器、控制器、压力传感器、温度传感器、流量传感器、流量阻塞装置、以及本领域已知的其他部件。

壳体50可以是多个部件的集成，所述多个部件一起形成燃烧室56。特别是，壳体50可包括安装元件58、涡旋式喷嘴板60以及罐62。涡旋式喷嘴板60可被容纳在安装元件58中，罐62可连接到安装元件58的底部。

安装元件58可容纳燃料喷射器52和火花塞54且将燃料喷射器52和火花塞54与燃料、空气和冷却剂流体地连接起来。特别是，安装元件58可形成在排气处理装置46的外壁部分中或者连接到排气处理装置46的外壁部分上，并包括用于容纳燃料喷射器52的阶梯孔64以及用于容纳火花塞54的阶梯孔66。阶梯孔64可与共轨燃料系统12连通，从而将燃料喷射器52与泵送装置22的加压燃料连通、与气源44的压缩空气连通、和/或与冷却剂系统(未示出)的热交换介质连通。这些系统中的每一个可以具有在不同轴向位置处朝向阶梯孔64中打开的通道，从而使它们各自的流体与其连通。阶梯孔66可通过吹扫通道40与吹扫系统13连通。

涡旋式喷嘴板60可以被布置成向安装元件58传导电流。也就是说，涡旋式喷嘴板60可以由如不锈钢这样的导电材料制成，且被压配到安装元件58的凹部中。涡旋式喷嘴板60与安装元件58一起可以形成空气室68，该空气室68可以被供给来自吹扫系统13的压缩空气。应该预见到，如果愿意，涡旋式喷嘴板60可通过止动环70、螺纹紧固件(未示出)、焊接、或本领域已知的其他方式附加地或者替代地连接到安装元件58上。

涡旋式喷嘴板60可包括通孔72、接地电极74，以及多个环状布置的通气孔76。接地电极74可位于通孔72的周围，从而与火花塞54相互作用。通气孔76可将来自吹扫系统13的空气与罐62内的燃料喷射混合。空气和燃料在罐62内的混合可以改善燃烧。应该预见到，如果愿意，通气孔76可被附加地或替代地引入到罐62的外部周边，用于冷却和/或绝缘的目的。

罐62可具体化为管状构件，该管状构件能够将来自辅助再生装置14的点燃的燃料/空气混合物轴向地引入到处理装置46的排气流中。特别地，罐62可包括将来自燃料喷射器52的燃料以及来自室68的空气与排气流流体连通的中央开口78。罐62通常可以是直的，且根据预期的火焰引入位置(由燃料/空气混合物点燃产生的火焰从罐62延伸至排气流的距离)在加工过程中可以具有预定的长度设置。在一个例子中，该预期引入位置可以大约距离罐62的出口80有12英寸。

喷射器52可以布置在安装元件58内，且通过燃料通道82和主控制阀84(参看图1)连接到燃料管路32。喷射器52可操作地在预定正时、燃料压力及燃料流速下向罐62喷射一定量的加压燃料。燃料喷射到罐62中的正时可与感测输入同步，从而使得燃料喷射大致上对应于过滤介质48中的颗粒物质堆积，其中该感测输入来自于温度传感器(未示出)、一个或多个压力传感器(未示出)、计时器(未示出)、或其他相似感测装置。例如，当流经排气处理装置46的排气压力超出预定压力水平或者在经过过滤介质48的压力下降超出预定差值时，燃料可以被喷射。替代地或者附加地，当流经排气处理装置46排气温度超过预定值时也可以喷射燃料。应该预见到，如果愿意，除了或者不管压力和温度条件，也可以设定的周期性标准来喷射燃料。

主控制阀84(参见图1)可包括电子控制的阀元件，该阀元件响应命令流速，克服弹簧偏压而电磁可动地从第一位置运动到第二位置，其中在第一位置加压燃料可以被引入到共轨24，在第二位置燃料可以被引入到辅助再生系统14。应该意识到，如果愿意，主控制阀84可替代地以非直接方式被液压或气压致动。

在再生事件过程中，火花塞54可以利于由喷射器52喷洒到罐62中的燃料更容易点燃。具体地，在再生事件过程中，流出功率单元10的排气温度可能太低以致于不能使排气处理装置46中捕获的颗粒物质或者由喷射器52喷洒的燃料自燃。为了开始燃料以及随后被捕集的颗粒物质的燃烧，来自喷射器52的很少量(即导向射)的燃料被喷洒或者喷射到位于火花塞54和接地电极74之间的空间，从而产生局部富氧，容易由火花塞54点燃。在火花塞54的电极和接地电极74之间产生的火花可点燃该局部富氧气氛从而产生火焰，该火焰可以向着被捕集的颗粒物质喷出或前进。来自喷射器52的火焰喷射传播可引起排气处理装置46内的温度升高到某一水平，该水平足够支持来自喷射器52的大量燃料(即主喷射)高效的点燃。随着燃料主喷射点燃，排气处理装置46中的温度可以继续增加到某一水平，该水平引起过滤介质48中捕集的颗粒物质点燃，从而使废气处理装置46再生。

火花塞54可以包括多个相互协作以点燃由喷射器52喷洒的燃料的部件。具体地，火花塞54可以包括主体86、从主体86的一端伸出的终端88，以及从主体86相对的第二端伸出的中央电极90。主体86可被以螺纹连接的方式容纳在阶梯孔66中，并且通过绝缘元件92与中央电极90隔开。中央电极90可以被电连接到终端88上。应该意识到，如果愿意，终端88可以替代地与中央电极90集成为一体或者省略。

在中央电极90和接地电极74之间可以产生电弧。也就是说，中央电极90可以具有可操作地固定到主体86上的基端94、自由末端96，以及从基端94延伸到自由末端96的侧部98。当火花塞54被装配到壳体50中时，自由末端96可以从涡旋式喷嘴板60的第一表面99通过孔72并穿过涡旋式喷嘴板60的第二表面100延伸。接地电极74可以具有连接到涡旋式喷嘴板60的第二表面100的基端102(即与涡旋式喷嘴板60整体成型)，以及自由末端104。接地电极74的自由末端104可以伸向中央电极90的侧部98，并且在基端102和侧部98之间的一径向位置处终止。在自由末端96和自由末端104之间的距离可以被如此设计，使得当电荷通过终端88被引入到中央电极90时，从自由末端96到接地电极74的自由末端104上可以形成电弧。该电弧可以有利于罐62内燃料/空气混合物的点燃。

工业实用性

本发明的火花塞装置可适用于各种排气处理装置，例如包括颗粒再生装置和利用火花来点燃燃料流的催化加热装置。实际上，本发明的火花装置甚至可以应用到发动机的主燃烧室中，以点燃在典型的动力发生循环中喷入的燃料。本发明的火花装置可以通过使燃料喷洒阻塞和无意电弧的可能性降为最小，来确保燃料流的最优燃烧，同时还能防止火花装置上存留燃料和污染物。下面将介绍功率单元10的运行。

参看图1，空气和燃料可以被吸入功率单元10的燃烧室以用于随后的燃烧。具体地，来自共轨燃料系统12的燃料可以被喷入到功率单元10的燃烧室中，在这里与空气混合，然后被功率单元10燃烧以产生机械工作输出和热气体的排气流。排气流可能包含由气态和固态物质组成的空气污染物的复杂混合物，固态物质可能包括颗粒物质。当载有颗粒的排气流被从燃烧室引入通过排气处理装置46时，颗粒物质可以被过滤介质48从排气流中过滤掉。随着时间的过去，颗粒物质可能在过滤介质48中堆积，如果放着不去制止的话，堆积会大到限制，甚至阻塞排气流通过排气处理装置46。如上面说明的，对来自功率单元10的排气流的限制会引起功率单元10的背压增加并且降低单元吸收新鲜空气的能力，从而导致功率单元10的性能下降、排气温度升高，以及油耗变差。

为了防止颗粒物质在排气处理装置46中不期望地堆积，过滤介质48可再生。再生可以是周期性的或者基于触发条件，如发动机运行的逝去时间、经过过滤介质48测得的压力差、来自功率单元10的排气流的温度，或者本领域已知的其他条件。

如图2所示的，为了开始再生，喷射器52可以以预期速率、压力、和/或正时选择性地向排气处理装置46传送燃料。当来自喷射器52的燃料喷射喷洒到排气处理装置46中时，空气可以通过涡旋式喷嘴板60上的通气孔76与燃料混合。当该燃料/空气混合物涡旋着进入罐62的燃烧室56中时，电流可以通过终端88被引入到中央电极90。当电流在中央电极90中形成时，从中央电极90的自由末端96到接地电极74的自由末端104可以形成电弧，从而点燃混合物。然后，点燃的燃料流和空气流又会将过滤介质48所捕集的颗粒物质的温度升高到带走颗粒物质的燃烧水平，烧掉这些颗粒物质，从而再生过滤介质48。

在再生事件之间或者期间，可以选择性地清除火花塞54中的燃料和/或污染物，以确保火花塞54的正常使用。为了对火花塞54进行吹扫处理，来自源44的吹扫用空气可以通过吹扫通道40，经过单向阀42，通过阶梯孔66而被引入。流入阶梯孔66的吹扫用空气可以迫使任何留在该孔中的残留燃料进入到燃烧室56中。通过从阶梯孔66中移除燃料和/或污染物，可以确保在非中央电极90的自由末端94的地方产生电弧的可能性。

因为接地电极74可被联接到壳体50，因此就可以确保火花塞54的适当定向。也就是说，因为接地电极74的定向独立于火花塞54与阶梯孔66的角度接合(angular engagement)，所以可以确保接地电极74总是相对于燃料喷射器52正确定向，而不管火花塞54的角度定向。这种正确的定向可以使得接地电极74不期望地阻碍来自燃料喷射器52的燃料喷洒的可能性降为最低，且中央电极90总是可以正确地置于燃料喷射器52和接地电极74之间。

另外，因为接地电极74可以从壳体50(即从涡旋式喷嘴板60)中伸出，所以发生无意电弧的可能性也被降为最低。具体地，因为接地电极74可以从涡旋式喷嘴板60伸出，它的悬臂距离变短。这种短的悬臂距离可以将接地电极74中引起的振动幅度降为最小。通过使振动幅度最小化，中央电极90和接地电极74之间的适当距离可以被始终如一地保持，从而使在非中央电极90的自由末端96处发生电弧的可能性、带有不正常电流的电弧的可能性、和/或在不合适的正时发生电弧的可能性降为最小。此外，最小化的振动幅度可能与接地电极74的增加的部件寿命一致。由于接地电极74与涡旋式喷嘴板60相连接而增加的接地电极74横截面还可以进一步帮助减小这里被引入的振动幅度。

对于本领域技术人员来说，很显然在不背离本发明的范围的情况下可以对本发明所公开的火花塞装置做各种各样的改变和变型。在考虑了说明书和这里所公开的火花塞装置的例子后，其它实施方式对于本领域技术人员来说是显而易见的。说明书和例子只是示例性的，本发明的真正范围由随后的权利要求书及其等同物来指示。

Claims (10)

1.一种火花塞装置(54)，包括：

主体(86)；

从所述主体的一端延伸的中央电极(90)；以及

安装构件(50)，该安装构件包括：

能够容纳所述主体的孔(66)；和

在所述中央电极近侧延伸的接地电极(74)。

2.根据权利要求1所述的火花塞装置，其特征在于，所述主体是以螺纹连接的方式容纳在所述孔中。

3.根据权利要求1所述的火花塞装置，其特征在于，所述中央电极与所述安装构件绝缘。

4.根据权利要求1所述的火花塞装置，其特征在于，

所述安装构件包括第一安装元件(58)和第二安装元件(60)；

所述孔位于所述第一安装元件中；

所述接地电极与所述第二安装元件构成一体；并且

所述第二安装元件被压配合到所述第一安装元件中。

5.根据权利要求4所述的火花塞装置，其特征在于，所述第一安装元件包括与所述孔连通的吹扫用气体管路(40)。

6.根据权利要求4所述的火花塞装置，其特征在于，

所述接地电极具有固定在所述第一安装元件处的基端(102)，以及自由末端(104)；

所述中央电极具有固定到所述主体上的基端(94)、自由末端(96)、以及从所述基端延伸到所述自由末端的侧部(98)；以及

所述接地电极的自由末端转向所述中央电极的侧部，且在所述接地电极的基端和所述中央电极的基端之间的径向位置处终止。

7.根据权利要求1所述的火花塞装置，其特征在于，

所述火花塞装置与燃料喷射器(52)相关联，且当装配所述火花塞装置时，所述接地电极总是相对于所述燃料喷射器保持在相同的定向；并且

当装配所述火花塞装置时，所述中央电极总是保持在所述接地电极和燃料喷射器之间的位置。

8.一种点燃燃料的方法，包括：

将燃料喷射到室(56)中；

将空气引入所述室中；

使所述室(60)的一部分接地；并且

向电极(90)引入电流，以在所述电极和所述室的接地部分之间产生电弧。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括选择性地将吹扫用气体引向所述电极。

10.一种废气处理装置(46)，包括：

壳体(50)，该壳体能够容纳排气流且具有开口；以及

根据权利要求1-7中任一项所述的火花塞装置，其能够关闭所述开口且在所述壳体内起燃。

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