CN102893469A

CN102893469A - 火花塞

Info

Publication number: CN102893469A
Application number: CN2011800234916A
Authority: CN
Inventors: S·斯科雷内
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2031-05-10
Also published as: WO2011143142A2; DE112011101617T5; US8334642B2; CN102893469B; US20110279008A1; WO2011143142A3

Abstract

一种火花塞(10)可包括第一电极(14)、径向定位在第一电极外部的绝缘体(18)和径向定位在绝缘体外部的壳体(16)。火花塞还可包括电联接到壳体的第二电极(22)。第二电极可与第一电极形成火花间隙(24)。火花塞还可包括联接到第一电极和第二电极中的至少一个的点火电极(14A)。点火电极可包括母体材料(28)内的Nb-Ti纤维(26)。

Description

火花塞

技术领域

本发明总体涉及一种火花塞。

背景技术

火花塞是用来通过电火花在内燃机内点燃燃料(例如燃料-空气混合物)的电装置。火花塞具有通过绝缘电线连接到点火线圈、磁电机电路或另一高电压源的绝缘中央电极。此中央电极与火花塞远端处的接地端子形成火花间隙。火花塞的远端定位在包括燃料-空气混合物的空间内。随着中央电极和接地电极之间形成电压差，在火花间隙形成产生火花的条件。在电极之间的电压差达到临界值时，火花间隙内的气体变得离子化。离子化的气体是导电的，并因此使得能量流过火花间隙，由此产生火花。火花塞通常需要10-30千伏或更多的电压来形成火花。

随着时间的推移，燃烧的燃料或油(煤烟)沉积在电极上或附近。这些沉积物会妨碍火花形成以及燃料-空气混合物的适当点燃。在高温下，火花塞末端上的煤烟沉积物被烧掉，由此使得火花再次形成。为了烧掉煤烟沉积物，火花塞必须达到的自清洁或自燃烧温度是大约500-600℃。在一些应用中，电极温度会不能达到这些温度。另外，在煤烟氧化所需的高温下，增加了造成电磨损的电极氧化和其他腐蚀机制。这些机制助长了火花塞的预期寿命的降低。

授予Co rba ch等人的美国专利No.4093887(‘887专利)公开了一种火花塞，其具有设计成减小铜在热燃烧气体影响下腐蚀的中央电极。‘887专利的中央电极包括由耐腐蚀材料(例如镍合金或基于铬或钴的材料)制成的被覆物，该材料围绕具有高导电和导热性的铜或铜合金的母体。母体材料中嵌入由耐腐蚀材料(优选为与被覆物相同的材料)制成的细丝。中央电极的火花末端处的母体材料被蚀刻，使得被覆物和嵌入的细丝从电极表面伸出大约50-500微米。‘887专利的耐腐蚀被覆物和嵌入的细丝据说减小了电极母体材料的腐蚀，并将火花间隙厚度保持在固定水平。虽然‘887专利的中央电极可以减小与腐蚀相关的磨损，‘887专利的中央电极没有促进电极末端处的增加电场。

本发明针对一种减小或克服以上描述的缺陷和/或现有技术中的其它缺陷的火花塞。

发明内容

在一个方面，公开一种火花塞。该火花塞可包括第一电极、径向定位在第一电极外部的绝缘体和径向定位在绝缘体外部的壳体。火花塞还可包括电联接到壳体的第二电极。第二电极可与第一电极形成火花间隙。火花塞还可包括联接到第一电极和第二电极中的至少一个的点火电极。点火电极可包括母体材料内的Nb-Ti纤维。

在另一方面，公开一种火花塞。该火花塞可包括形成定位成形成火花间隙的阴极和阳极的一对电极和联接到火花间隙近侧的阴极的点火电极。点火电极可包括Nb-Ti纤维。Nb-Ti纤维可包括大约52-54重量百分比之间的铌和大约46-48重量百分比之间的钛。

在又一方面，公开一种火花塞。该火花塞可包括绝缘体和具有通过绝缘体围绕的区域的第一电极。火花塞还可包括定位在绝缘体外部的壳体和电联接到壳体并定位成与第一电极形成火花间隙的第二电极。火花塞还可包括联接到第一电极或第二电极中的至少一个的点火电极。点火电极可包括Nb-Ti纤维。Nb-Ti纤维的至少一些可伸出到火花间隙内。

附图说明

图1是示例性公开的火花塞的局部截面图；

图2是图1的火花塞的火花端的截面图；

图3是图1的火花塞的示例性中央电极的火花端的截面图；以及

图4是图3的中央电极的截面图。

具体实施方式

图1说明本发明的示例性火花塞10的局部截面图。火花塞10可用来在任何应用中点燃燃料-空气混合物。在汽油发动机中，火花塞10可用于发动机的燃烧室内以便点燃燃料-空气混合物。柴油发动机可在再生系统中使用火花塞10以帮助例如柴油颗粒过滤器(DPF)或柴油氧化催化器(DOC)的废气处理部件的再生。在这种再生系统的应用中，燃料可以输送到定位在废气处理部件上游的燃烧器组件，并且火花塞可点燃燃料混合物以便加热流过其中的废气。这些被加热的废气可提供废气处理部件再生所需的温度。虽然本发明的火花塞10不局限于任何特定的应用，在以下描述中，讨论火花塞10在再生应用中的应用。

火花塞10包括电连接到中央电极14的端子12。中央电极14经由内部电线和通常的陶瓷串联电阻连接到端子12，以便减小由于发出火花造成的射频(RF)噪音的发出。端子12将火花塞10连接到点火系统的外部高电压源。准确的端子构造根据火花塞的使用来变化。在一些实施方式中，来自高电压源的电线卡扣到端子12上。在一些其它的实施方式中，来自高电压源的电线具有使用螺母紧固到端子12上的扁接头或其它连接器。端子12和中央电极14通过绝缘体18与外壳体16电隔离。

绝缘体18可由可以经受高温的任何绝缘材料制成。它们通常由例如瓷器的高温陶瓷材料制成。但是，也可以使用例如熔融石英的其它高温绝缘材料来制造绝缘体18。绝缘体18的主要功能在于为中央电极14提供机械支承和电绝缘。绝缘体18还用来从中央电极14延伸端子12，使得端子12在具有很深的不能接近的火花塞的系统中更容易接近。绝缘体18朝着火花塞10的远端延伸，以便围绕中央电极14的远端形成绝缘套筒18A。在操作过程中，绝缘套筒18A可以暴露于再生系统内的热气体以及中央电极14内的高电压。因此，绝缘套筒18A必须被构造成经受高温和高电压，并同时具有高的导热性能。在一些实施方式中，绝缘套筒18A可由不同于绝缘体18的材料制成，例如烧结氧化铝，其被设计成经受高温和高电压。

外壳体16围绕绝缘体18的远侧部分并包括例如螺纹16A和螺栓16B的特征以便将火花塞10固定到例如再生系统的燃烧器的内燃机部件。外壳体16通常由金属制成，以便经受将火花塞10紧固到发动机部件的转矩，并且将热量从绝缘体18移除，并使其传递到发动机部件。理解到可以使用其它固定构型来将火花塞10固定到发动机部件。外壳体16在火花塞10的远端处的接地电极22处终止。接地电极22可以由本领域已知的任何传导材料制成。在一些实施方式中，接地电极22可包括高镍钢。在其它实施方式中，接地电极22还可由与中央电极相同的材料(例如铜)制成，或者可以设置铜芯以便增加导热性。接地电极22可靠近中央电极14的远端定位，使得间隙24存在于中央电极14的远端和接地电极22之间。在操作过程中，中央电极14可形成阴极，并且接地电极22可形成阳极。在阴极和阳极之间的电压差足够高以使间隙24内的气体离子化时，来自阴极的电子跳过间隙24到阳极(形成火花)，并经由外壳体16接地到发动机部件。虽然接地电极22表示成直接定位在中央电极14下方的弯曲构件，但这并不是限制。接地电极22和间隙24的任何已知取向可以用于本发明的火花塞。在一些实施方式中，多个接地电极22可围绕中央电极14定位。

图2是图1所示的火花塞10的远端(虚线包围的区域)的截面图。中央电极14可包括通常用作火花塞的阴极的任何材料。作为热和电的良好导体并能够在火花塞10的操作环境下操作的任何材料可以用于此目的。这些材料可包括铜、铜合金、铝、铝合金、镍合金、镍-铁、铬、铬合金或贵金属。中央电极14的最远端可包括点火电极14A。

点火电极14A可以是附接到中央电极14的远端的插入件。点火电极14A可通过本领域已知的任何适当的附接工艺附接到中央电极14。这些附接工艺可包括焊接、铜焊、软焊或任何其他高温附接工艺。点火电极14A从中央电极14伸出到间隙24内。但是在一些实施方式中，点火电极14A的表面可以与中央电极14的表面平齐。点火电极14A包括定位在母体材料内的高电流承载能力的材料纤维，例如铌钛(Nb-Ti)或铌锡(NbSn₃)。虽然接地电极22在图2中表示成没有插入件，在一些实施方式中，接地电极22还可包括类似于点火电极14A的附接装置。此接地电极附接装置可以在结构上类似于点火电极14A或可以不同。

图3是图2所示的中央电极14的最远端区域(虚线包围的区域)的视图。在一种实施方式中，点火电极14A包括大致纵向延伸经过母体28的Nb-Ti纤维26。母体28可包括任何导电和导热材料，例如铝、铜等。母体28可以为纤维26提供结构稳定性。母体28可由与中央电极14相同的材料制成，或者可以由不同材料制成。Nb-Ti纤维26的材料可以是Type-II超导体，其包括铌和钛的合金。超级传导的Nb-Ti合金的组分可包括大约53重量百分比的铌和大约47重量百分比的钛。这种铌和钛的组分在10绝对温标(-263℃)下可以是超导体。虽然Nb-Ti纤维26在此应用中不用作超导体，具有接近组分的纤维具有大的电流承载能力，这有利于在中央电极14的远端处形成大的电场。具有略微不同于超传导组分的组分的Nb-Ti纤维也可具有足够的电流承载能力，从而有利于此应用。例如，此应用的Nb-Ti纤维26中的铌和钛组分还可包括大约52-54重量百分比的铌和大约46-48重量百分比的钛。在一些实施方式中，纤维26也可包括少量的其它元素，例如铪、铝、钼、钨和/或硅(≤大约4％)。这些元素的存在可改善Nb-Ti合金的氧化稳定性。在一些实施方式中，例如氧的元素的原子会通过离子植入或其它技术植入纤维26的表面以减小纤维的电阻。在本发明中，术语Nb-Ti纤维(或Nb-Ti的纤维)广义地用于指代基本上由铌和钛制成的纤维以及除了铌和钛之外包括少量其它元素的纤维。在一些实施方式中，基本上整个纤维26可包括铌钛合金，而在其它实施方式中，纤维26可包括围绕由例如铜或碳的载体材料制成的芯的铌钛合金涂层或外壳。

纤维26的数量、纤维26的尺寸和纤维26之间的间距可以改变。在示例性实施方式中，根据火花塞10的规格，中央电极14的直径D₂可以在大约1-3mm(1000-3000微米)之间。点火电极14A的直径D₁也取决于应用。在一些实施方式中，嵌入母体材料的商业上购买的Nb-Ti纤维26可以作为点火电极14A使用。在这些实施方式中，直径D₁可包括商业上购买的纤维母体组合的尺寸。在一些实施方式中，点火电极14A的直径D₁可以在大约0.3-2mm(300-2000微米)之间，并且Nb-Ti纤维26的直径D₃可以在大约1-20微米之间。在优选实施方式中，Nb-Ti纤维26的直径D₃可以在1-10微米之间，并且在更优选实施方式中，此直径可以在3-7微米之间变化。通常，直径D₃可以取决于商业上购买的Nb-Ti纤维的尺寸。在一些实施方式中，直径D₃可以取决于纤维26的电流密度。例如，在这些实施方式中，纤维26的直径可以被选择，使得火花塞10的操作过程中经过纤维26的最大电流密度在可接受极限以下。虽然中央电极14、点火电极14A和Nb-Ti纤维26被描述成具有一直径，其截面形状可以不是圆形，并且具有如上设置尺寸的宽度。通常，中央电极14、点火电极14A和纤维26中的一些或所有可包括任何截面形状(例如矩形、方形或任何其他的多侧面形状)。虽然图3表示了所有纤维26以一致的方式线性地延伸经过点火电极14A，这不作为限制。通常，纤维26可以任何方式延伸经过点火电极14A。例如，在一些实施方式中，纤维26可以围绕点火电极的中心轴线螺旋布置，而在其他实施方式中，一些纤维26可线性延伸，同时一些纤维26可围绕其他纤维26扭转。

在点火电极14A的最远端，一些或所有的纤维26伸出到间隙24内，以便形成伸出区域26A。点火电极14A的最远端处的母体28可以使用化学蚀刻剂(或者通过其他适当方法)蚀刻以便暴露纤维26在最远端处伸入到间隙24内的长度L₂，类似于毛刷的刷毛。点火电极14A在中央电极14内的长度L₀、点火电极14A的母体28伸入到间隙24内的长度L₁以及伸出区域26A的长度L₂可随着应用而变化。在一种实施方式中，点火电极14A的长度L₀可以在大约5-10mm(5000-10000微米)之间。这种长度L₀提供中央电极14和点火电极14A的接合表面以便形成希望的电场。在一些实施方式中，点火电极14A的母体28的长度L₁可以在大约0-5mm(0-5000微米)之间，并且伸出区域26A的长度L₂可以在大约0.9-10mm(900-10000微米)之间。在较大长度L₂处，由于洛伦兹力在相邻纤维26之间造成的排斥力可造成相邻纤维26彼此离开地弯曲，不利地影响了间隙24内产生的火花。洛伦兹力是由于其中的大电场造成的感应电磁场而在纤维26内产生的力。在优选实施方式中，长度L₂可以在1-7mm之间变化，在更优选实施方式中，长度L₂可以在3-7mm之间变化。随着时间推移，环境和电场的腐蚀作用会造成伸出区域26A的长度L₂减小。因此，选择较小的L₂长度会不利地影响火花塞10的预期寿命。

图4说明经过图3中标记4-4的截面的中央电极14的截面图。如早些指出，虽然中央电极14、点火电极14A和纤维26表示成圆形，它们中的一些或所有可以具有其他形状。在一些实施方式中，纤维26可以在点火电极14A的母体28上基本均匀分布。但是，在一些实施方式中，纤维26束可以在点火电极14A的纤维区域内集中在一起。在这些实施方式中，纤维26可在中央电极14A上不均匀分布。还设想到在一些实施方式中，母体18可以是基本上或完全消除。在这些实施方式中，点火电极14A可包括纵向延伸经过中央电极14A的紧密纤维26束。

工业实用性

本发明的火花塞可以有利于其中正使用或可以使用火花塞的任何应用。例如，如上所述，本发明的火花塞可以用于汽油发动机的燃烧室或柴油发动机的再生系统中。

为了说明本发明的火花塞的一些特征，公开一种附接到再生系统的燃烧器的火花塞的示例性应用。火花塞10的端子12电联接到由点火线圈或磁电机产生的高电压。随着电子从线圈流动，电压差形成在中央电极14和接地电极22之间，因为这些电极之间、间隙24内的燃料-空气混合物防止电流流过。随着电压差超过气体的介电强度，气体变得离子化，并且来自点火电极14A的电子跳过间隙24，在间隙上形成火花。

在点火电极14A中，电子在电场强度最大处发射。电场强度在表面的曲率半径最小处最大。即，电子从点火电极14A的尖锐点或边缘而不是平表面放电。点火电极14A的最远端处的暴露纤维26增加用于电子发射的尖锐角部和边缘的数量，由此增加间隙24上的火花。Nb-Ti的大电流承载能力进一步增加了间隙上的火花。在使用过程中，点火电极14A的母体28的暴露表面氧化，并在电极表面上形成氧化物壳。此氧化物壳用作来自母体28的暴露表面的电子的二次发射的屏障。防止来自母体表面的电子的二次发射将电场集中在纤维26的远端，并改善由此产生的电弧的稳定性。在持续使用过程中，煤烟沉积在点火电极14A的暴露表面上，包括纤维26和母体28的暴露表面。通过Nb-Ti纤维26产生的火花的强度将煤烟从纤维26的暴露表面上烧掉。母体28的表面上沉积的煤烟加到氧化物壳，并有助于进一步防止来自母体28的电子的二次发射。

在本发明的火花塞中，由于纤维材料，纤维26的远端处的电流密度可以很高。这种高电流密度可增加火花塞间隙上产生的火花的强度。增加的火花强度可有助于点燃间隙内的燃料-空气混合物。增加的火花强度还增加了所述电极末端的烧掉其上沉积的煤烟所需的温度。点火电极的远端处的几何结构(在纤维26伸出到间隙24内的地方)也可增加电极末端处的电场增强。初步评估指明本发明的火花塞提供比没有纤维的电极高大约2-8倍的电场。这种增强的电场可以减小火花间隙上形成火花所需的临界电压。这种增强的电场还可使得火花在较大间隙上形成，并因此可使得火花间隙的厚度增加。

本领域的普通技术人员将理解到可以针对公开的火花塞进行多种改型和变型。本领域普通技术人员从说明书的考量和公开的火花塞的实践中将明白其他的实施方式。所打算的是说明书和例子只是示例性的，其真实范围通过权利要求及其等同物来指明。

Claims

1.一种火花塞(10)，包括：

第一电极(14)；

绝缘体(18)，其径向定位在所述第一电极外部；

壳体(16)，其径向定位在所述绝缘体外部；

第二电极(22)，其电联接到所述壳体并与所述第一电极形成火花间隙(24)；以及

点火电极(14A)，其联接到所述第一电极和所述第二电极中的至少一个，所述点火电极在母体材料(28)内包括Nb-Ti纤维(26)。

2.根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述Nb-Ti纤维的至少一些从所述母体材料伸出到所述火花间隙内。

3.根据权利要求2所述的火花塞，其中，所述Nb-Ti纤维的直径在大约1-20微米之间。

4.根据权利要求2所述的火花塞，其中，所述Nb-Ti纤维的至少一些伸出到所述火花间隙内的长度在大约0.9和10mm之间。

5.根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述Nb-Ti纤维包括大约52-54重量百分比之间的铌和大约46-48重量百分比之间的钛。

6.根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述Nb-Ti纤维包括大约53重量百分比的铌和大约47重量百分比的钛。

7.根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述第一电极的直径在大约0.3-2mm之间。

8.根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述第一电极的直径在大约1-3mm之间。

9.根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述点火电极的长度在大约5-15mm之间。

10.根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述Nb-Ti纤维大致沿着所述火花塞的纵向轴线延伸。