CN103947060B - 用于扫除残余废气的火花塞及相关的燃烧室 - Google Patents

用于扫除残余废气的火花塞及相关的燃烧室 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的火花塞(10)及相关的系统，包括中央电极(30)，该中央电极到达在中央轴(14)周围规定的第一末端表面(24)为止。该火花塞还至少一个外部电极(22)，该至少一个外部电极到达第二末端表面为止，该至少一个外部电极(22)至少在侧面部分地环绕中央电极(30)，从而第二末端表面相对于中央电极(30)在径向上偏置，以在该中央电极(30)和该至少一个外部电极(22)之间规定侧面间隙(40)。该火花塞(10)的特征在于，促使或重定向从而使新鲜的空气‑燃料混合物流过侧面间隙(40)，有助于将前一个燃烧事件中遗留的残余废气清除或移除出侧面间隙。

Description

用于扫除残余废气的火花塞及相关的燃烧室
技术领域
本申请的主题概括地来说关于内燃机，更具体地，涉及内燃机的燃料点火系统。
背景技术
火花塞用于与各种类型的燃烧室配合使用，燃烧室配置为对易燃的燃料和空气的混合物进行点火。一些燃烧室配置为包括被动预燃室、开式燃烧室及燃料供给预燃室的配置。现有的火花塞的设计有着各种缺点，依赖于配置为火花塞在内部操作的燃烧室的类型，可能会让这些缺点更加严重。
众所周知，火花塞与预燃室及开式燃烧室组合使用在内燃机内对燃烧事件进行点火。预燃室对预混合的稀薄燃烧天然气发动机的燃焰的着火和传播特别有用，稀薄燃烧天然气发动机难以使用传统的开式燃烧室的配置来点火。被动预燃室包括燃烧容积，在其中设置火花塞。火花塞往往包括中央阴极电极和至少部分地环绕于阴极电极的一个或更多的外部接地或阳极电极，以在其间生成间隙。火花塞通过产生跨越在中央和外部电极之间的间隙的火花(例如电子流)对燃烧事件进行着火。更具体的，火花对通过预燃室容积传播的火焰进行着火。这种燃烧在预燃室内产生了压力上的突然增加，从而穿过在预燃室和主燃室之间的节流孔产生一个大的压差。该压差促使火焰穿过节流孔进入主燃室，从而成功地进行燃烧事件。
在成功地进行燃烧事件之后，主燃室内的残余废气在排气冲程中换气。在进气冲程中，新鲜的预混合空气和燃料的混合物(充量)通过由活塞所驱动的压缩事件进入主汽缸。然而，一些被动预燃室内及火花塞电极之间的残余废气没有进行完全换气，而是在排气和进气冲程中残余在预燃室内。在随后的压缩冲程中，主燃室和预燃室之间的压差促使新鲜的充量穿过节流孔进入预燃室，将残余废气朝预燃室的设置有火花塞的后部压缩。
发明内容
针对现有技术，尤其是针对现有技术中还没有被当前可用的燃烧室和火花塞完全解决的燃烧室和火花塞内的问题和需求，提出本申请的主题。只有在将近压缩冲程的末尾时(例如在有火花时)至少一些电极间隙内的残余废气从电极间隙内被清除(例如移除或移走)且被替换为新鲜的充量，才能成功进行点火。申请人意识到残余废气清除过程的成功高度依赖于预燃室、节流孔及火花塞电极的设计。一些已知的火花塞电极的配置无法从电极间隙充分清除残余气体。其结果是，间隙内的残余气体会抑制或阻碍新鲜的空气充量的燃烧，这是因为穿过间隙的火花无法恰当地到达新鲜的空气充量而是换为到达残余气体，导致了不完全燃烧或全部失火。因此，所提出的本申请的主题在于提供一种燃烧室及相关的火花塞，来至少克服现有技术中的许多缺点。
例如，根据一个实施方式，提供一种用于内燃机的火花塞，该火花塞包括中央电极，该中央电极到达在中央轴周围规定的第一末端表面为止。该火花塞也包括至少一个外部电极，该至少一个外部电极到达第二末端表面为止。该至少一个外部电极至少在侧面部分地环绕中央电极，从而第二末端表面相对于中央电极在径向上偏置，以在该中央电极和该至少一个外部电极之间规定侧面间隙。该中央电极的第一末端表面相对于该至少一个外部电极的第二末端表面在轴向上凹陷。
在火花塞的一些实施方式中，该中央电极的第一末端表面和该至少一个外部电极的第二末端表面实质上共面。在某些实施方式中，火花塞具有多个外部电极。该中央电极的第一末端表面相对于该至少一个外部电极的第二末端表面可以凹陷至大约一毫米。根据一些实施方式，中央电极包括了对第一末端表面进行规定的汽缸头部。在这些实施方式中，中央电极可进一步包括相对于至少一个外部电极对头部进行支撑的柄部，从而在中央电极的头部和该至少一个外部电极之间对侧面间隙进行规定。
根据另一个实施方式，提供一种用于内燃机的火花塞，该火花塞包括中央电极，该中央电极到达第一末端表面为止，在中央轴周围规定该第一 末端表面。该火花塞也包括至少一个外部电极，该至少一个外部电极到达第二末端表面为止。该至少一个外部电极至少在侧面部分地环绕中央电极，从而第二末端表面相对于中央电极在径向上偏置，以在该中央电极和该至少一个外部电极之间规定侧面间隙。该火花塞包括与该至少一个外部电极的第二末端表面连接的至少一个衬垫，其中该至少一个衬垫的第三末端表面相对于该中央电极的第一末端表面在轴向上偏置。该衬垫可用第一材料制造且该至少一个外部电极可用与第一材料不同的第二材料制造。
根据一些实施方式，该火花塞包括多个外部电极和多个衬垫，其中多个外部电极中的每一个外部电极都分别连接于多个衬垫中的一个衬垫。
在某些实施方式中，该火花塞包括多个外部电极但只包括两个衬垫，该两个衬垫分别连接于多个外部电极中的两个外部电极。连接有衬垫的该多个外部电极中的两个外部电极可分别相邻。连接有衬垫的该多个外部电极中的两个外部电极可以分别在至少一个外部电极的相对侧。
根据又一个实施方式，提供一种用于内燃机的火花塞，该火花塞包括中央电极，该中央电极到达在中央轴周围规定的第一末端表面为止。该中央电极包括至少一个形成在第一末端表面的细长通道。该火花塞也包括至少一个外部电极，该至少一个外部电极到达第二末端表面为止，该至少一个外部电极至少在侧面部分地环绕中央电极，从而第二末端表面相对于中央电极在径向上偏置，以在该中央电极和该至少一个外部电极之间规定侧面间隙。
根据一些实施方式，该中央电极包括形成在第一末端表面上的至少两条细长通道。该至少两条细长通道可在直径上穿过第一末端表面相互垂直地延伸。
在另一个实施方式中，提供一种用于内燃机的火花塞，该火花塞包括中央电极，该中央电极到达在中央轴周围规定的第一末端表面为止。该中央电极包括形成在第一末端表面的外缘周围的第一末端表面上的多个缺口。该火花塞也包括至少一个外部电极，该至少一个外部电极到达第二末端表面为止，该至少一个外部电极至少在侧面部分地环绕中央电极，从而第二末端表面相对于中央电极在径向上偏置，以在该中央电极和该至少一 个外部电极之间规定侧面间隙。该多个缺口中的每一个缺口可实质上形成为楔形。该多个缺口可进一步在第一末端表面的外缘周围互相之间隔开相等的距离。
根据一个实施方式，提供一种用于内燃机的火花塞，该火花塞包括中央电极，该中央电极到达在中央轴周围规定的第一末端表面为止。该火花塞也包括至少一个外部电极，该至少一个外部电极到达第二末端表面为止。该至少一个外部电极至少在侧面部分地环绕中央电极，从而第二末端表面相对于中央电极在径向上偏置，以在该中央电极和该至少一个外部电极之间规定侧面间隙。该中央电极的第一末端表面和该至少一个外部电极的第二末端表面中的至少一个形成为锥形。
在一些实施方式中，该中央电极的第一末端表面形成为锥形。该中央电极的第一末端表面可以形成为相对于该至少一个外部电极的第二末端表面有角度的锥形。该角度在大约一度和大约二十五度之间。在一些实施方式中，该至少一个外部电极的第二末端表面形成为锥形。该至少一个外部电极的第二末端表面可以形成为相对于该中央电极的第一末端表面有角度的锥形。该角度在大约一度到大约二十五度之间。在一些实施方式中，该中央电极的第一末端表面形成为锥形且该至少一个外部电极的第二末端表面形成为锥形。
在另一个实施方式中，提供一种用于与内燃机一起使用的预燃室装置，该内燃机具有连接于汽缸体的汽缸头部。该汽缸头部包括火花塞凹槽且该汽缸体包括向火花塞凹槽打开的主燃室。该汽缸头部进一步包括面向该主燃室的防火层表面。该预燃室装置包括插入部，该插入部可位于该火花塞凹槽内且可与该火花塞凹槽紧密耦合。该插入部包括：末端表面、内室及至少一条在内室和末端表面之间延伸的通道。当位于该火花塞凹槽内且与该火花塞凹槽紧密耦合时，该插入部的末端表面实质上与该汽缸头部的防火层表面齐平。预燃室装置也可包括火花塞，该火花塞带有阴极和阳极电极。该火花塞可连接于该插入部，从而该火花塞的电极的至少一部分位于该插入部的内室之内。
在该预燃室装置的一些实施方式中，该插入部包括外螺纹，该外螺纹 可与该火花塞凹槽的内螺纹进行螺纹啮合以通过该火花塞凹槽与该插入部紧密耦合。该插入部可包括多条在内室和末端表面之间延伸的通道。
整个说明书中提到的特征、优点或类似语言并不意味着根据本公开的主题可以实现的所有特征和优点应该在或在任何单一的实施例中。相反，所指特征和优点的语言应被理解为意味着与实施例有关的特定的特征、优点或特性被包括在本发明公开的至少一个实施例中。因此，特征、优点和类似语言的讨论，在整个说明书中可以但并非必须指代同一个的实施例。
本发明所公开的主题中所述的特征、结构、优点和/或特性可以在一个或多个实施例和/或实现方式中以任何合适的方式组合。在下面的描述中，提供了许多具体细节以使本发明所公开的主题的实施例的能得到充分理解。相关领域技术人员将认识到本发明所公开的主题可以在无需一个或多个特定的特征、细节、组件、材料的情况下和/或无需特定的实施例或实施方式的方法的情况下实践。在其他实例中，在某些实施例和/或实施方式中可以认识到额外的特征和优点，这些额外的特征和优点可能不存在于所有的实施例或实现方式中。此外，在某些情况下，众所周知的结构、材料或操作没有被示出或详细描述，从而避免掩盖了本发明所公开的主题的各方面。本发明所公开的主题的特征和优点根据下面的描述和所附权利要求将变得更加显而易见，或者可通过下文所述的主题的实践来获知。
附图说明
为了使本主题的优点可被更容易地理解，上文简要描述的本发明的主题的更具体的描述将参考附图中示出的具体实施例来提供。可以理解的是这些附图仅为本发明的主题的典型实施例，因此不认为是其范围的限定，通过使用附图对本发明的主题的附加特征和细节进行描述和解释，其中：
图1是根据一个实施方式的火花塞的俯视透视图。
图2是沿图1中的线2-2进行观察时的图1中的火花塞的侧视剖视图。
图3是根据一个实施方式的具有凹陷的中央电极的火花塞的俯视透视图。
图4是沿图3中的线4-4进行观察时的图3中的火花塞的侧视剖视图。
图5是根据一个实施方式的具有至少两个电极衬垫的火花塞的俯视透视图。
图6是根据一个实施方式的具有电极通道的火花塞的俯视透视图。
图7是根据一个实施方式的具有电极周边沟槽的火花塞的俯视透视图。
图8是根据一个实施方式的具有锥形中央电极的火花塞的侧视剖视图。
图9是根据一个实施方式的具有锥形外部电极的火花塞的侧视剖视图。
图10是具有锥形中央电极和锥形外部电极的火花塞的侧视剖视图。
图11是根据一个实施方式的安装于主燃室的带有凹陷的火花塞的被动预燃室的侧视剖视图。
图12是根据一个实施方式的带有凹陷的火花塞的燃料供给预燃室的侧视剖视图。
图13是根据一个实施方式的带有凹陷的火花塞的开式预燃室的侧视剖视图。
具体实施方式
贯穿本说明书提及的“一个实施例”、“实施例”，或类似的语言意味着结合实施例描述的特定的特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书的“在一个实施例中，”、“在实施例中”和类似短语的出现，可以但不一定全部指的是相同的实施例。
参照图1和图2，示出了根据一个实施方式的火花塞10，包括带有多个外部接地电极22的外部接地电极部20。外部接地电极22可规定为外部阳极或阳极电极。火花塞10可进一步包括中央阴极电极30，外部接地电极22位于中央阴极电极30周围。一般地，外部电极22至少在侧面部分地环绕中央电极30或从侧面位于中央电极30的周围。换句话说，外部电极22在径向上位于中央电极30之外且相互隔开间隔。外部电极22从始端向邻近于中央电极30的头部34的末端延伸。在某些实施方式中，外部电极22在所示出的从始端向末端的方向上在径向上朝塞子10的中央轴14向内成角度。
塞子10也包括位于外部电极22和中央电极30的头部34之后的塞子 内的内容积50。每个外部电极22包括开口26，开口26促使新鲜充量和排气进出内容积50。另外，每个外部电极22包括末端表面24，末端表面24实质上与中央轴14垂直。尽管在此示出的火花塞包括了一个圆形的中央电极和四个隔开间隔的同心状的外部电极，但是在一些实施方式中，火花塞可包括不同形状的中央电极和少于或多于四个外部电极。例如，在一个实施方式中，火花塞包括一个单独的环绕中央电极的外部电极，在另一个实施方式中，火花塞包括一个单独的方形的中央电极和四个同心状的外部电极。
中央电极30包括连接于柄部36的头部34。头部34规定了末端表面32，末端表面32实质上与中央轴14垂直且实质上与每个外部电极22的末端表面24共面。对外部电极22和中央电极30的头部34的尺寸、形状、及位置进行规定以规定各个外部电极和头部之间的侧面电极间隙40。在此规定的侧面可以表示与中央轴14垂直或相对于中央轴14在径向上延伸。因此，侧面偏置可以表示在从中央轴14的侧向上偏置或隔开间隔。如图2中的塞子10的侧视剖视图所示，间隙40的距离是Dg。距离Dg一般选择为提供穿过间隙40的最想要的火花。头部34和外部电极22之间的侧面间隙40实质上是均匀的。在一个实施方式中，头部34实质上形成为圆锥状，其直径规定了头部的尺寸。类似地，每个外部电极22以与头部34的直径一致的曲率半径弯成弧形，从而间隙40的距离Dg保持不变。
参照图3和图4，示出了根据一个实施方式的带有中央电极130的火花塞110，中央电极130带有凹陷的。塞子110类似于塞子10，类似的标号指代类似的元件。然而，作为相对于外部电极122来配置中央电极130的头部134来使外部电极的各个末端表面124、132和头部共面的替代，将头部134配置为相对于外部电极向内凹陷(例如轴向偏置)，从而头部的末端表面配置为相对于外部电极的末端表面在轴向上向内的距离是Dr。凹陷距离Dr可以是任意的距离。根据一些实施方式，凹陷距离Dr大于0且小于等于大约1mm。在某些实施方式中，由于头部134凹陷，末端表面124、132可以不共面，不过末端表面也可相互平行。尽管头部相对于外部电极122凹陷，但是保持侧面间隙140的距离Dg不变。此外，尽管凹陷头部134 的表面区域和塞子110所规定的间隙140小于非凹陷头部34所规定的塞子10的间隙40，但是在一些实施方式中，可以通过在轴向上向内拉长表面区域来增加由外部电极122的表面区域所规定的间隙。如此一来，电极122、130之间的火花的质量和电极上的损耗不会因为头部134凹陷而变得更差。
中央电极130的头部134凹陷了距离Dr有助于强制(例如改变方向)将进入的新鲜的空气-燃料混合物在中央电极(依靠节流孔的定向和压缩冲程的机制)在径向上向外地导向外部电极122，然后穿过头部和外部电极之间的侧面间隙140。这种对新鲜的空气-燃料混合物流过侧面间隙140的强制或改变方向有助于将前一个燃烧事件中遗留的残余废气清除或移除出侧面间隙140。然后新鲜的空气-燃料混合物从侧面间隙140流入电极122、130后的内容积150，远离火花着火点(即侧面间隙140内部)。如此一来，在火花着火时，侧面间隙140实质上清除了残余废气，以新鲜的空气/燃料混合物取而代之(例如一般在上止点前(BTDC)20度到16度之间)。
基于计算机流体动态分析，头部凹陷的火花塞110从中央和外部电极之间的侧面间隙对残余废气的清除要优于头部非凹陷的火花塞10。该计算机流体动态分析基于塞子110的头部134相对于非凹陷塞子只凹陷1mm的火花塞模型。此外，在内燃机上执行实际测试和度量证实了从计算机流体动态或理论测试所获得的结果。例如，使用非凹陷或传统的火花塞进行内燃机的实际操作会导致失火循环，但是配置为带有根据在此所述的实施方式中的凹陷的火花塞的同样的内燃机的操作在与预燃室组合使用时实际上排除了失火的情况。用于内燃机的实际测试且促使失火的情况实际上消失的凹陷的火花塞具有大约在0.4mm和0.6mm之间的凹陷距离Dr。
再有，基于计算机流体动态分析，在BTDC20度的压缩冲程的过程中，流体流过凹陷头部和外部电极之间的间隙140的速度大于流体流过非凹陷头部和外部电极之间的间隙40的速度。
类似地，使用计算机流体动态分析可知，凹陷头部和外部电极之间的间隙140内和紧邻电极后的容积的流体的甲烷(CH4)质量分数大于非凹陷头部和外部电极之间的间隙40内和电极后的容积的流体的甲烷质量分数。在间隙内和邻近电极后的间隙有更多的作为在压缩冲程中产生的新鲜的空 气-燃料混合物的组成部分的甲烷的话，与非凹陷头部的塞子相比，火花产生和发展为火焰锋面的条件更佳。因此，带有凹陷头部的燃烧质量好于带有非凹陷头部，带有凹陷头部时失火的风险小于带有非凹陷头部。相比之下，凹陷头部和外部电极之间的间隙140内和紧邻电极后的容积的流体的二氧化碳(CO2)质量分数远远小于非凹陷头部和外部电极之间的间隙40内和电极后的容积的流体的二氧化碳质量分数。在凹陷头部的塞子的间隙140内有更少的二氧化碳(即在燃烧事件后遗留的残余废气的组成部分)的话，与非凹陷头部的塞子相比，火花的质量更佳，从而带有凹陷头部的燃烧质量好于带有非凹陷头部，带有凹陷头部时失火的风险小于带有非凹陷头部。
参照图5，示出了火花塞210的另一个实施方式，可与被动预燃室、燃料供给预燃室或开式燃烧室组合使用，有助于从塞子的间隙清除残余废气，类似于上述凹陷的中央电极，有助于将进入的新鲜的空气/燃料混合物导向经过电极间隙。塞子210类似于塞子10、110，类似的标号指代类似的元件。换句话说，塞子210包括每个都带有末端表面224的多个(例如4个)外部电极222环绕的带有末端表面232的一个中央电极230。然后，塞子210包括固定于至少一个外部电极的至少一个衬垫260，以下将对此进行详细描述。
在示出的实施方式中，塞子210的中央电极230的末端表面232实质上与外部电极222的末端表面232共面。为了进一步清除中央和外部电极之间的侧面间隙240内的残余废气，多个衬垫260中的每一个都分别固定于外部电极222的末端表面224。衬垫260有效地在径向上从中央电极230的末端表面232向外延伸了外部电极222的末端表面224，从而衬垫的末端表面262(例如外部电极的有效末端表面)不与中央电极的末端表面232共面。换句话说，由于衬垫260固定于外部电极222的末端表面224，中央电极230的末端表面232相对于衬垫的末端表面262有效地在轴向上向内凹陷。如此一来，通过添加了衬垫260，头部230无须物理上相对于外部电极222凹陷，就可以实现上述相对于外部电极222的末端表面224凹陷的中央电极230的末端表面232的优点。然而，在一些实施方式中，塞子210 可包括带有相对于外部电极222的末端表面232凹陷的末端表面232的头部。在这种实施方式中，衬垫260起到了有效增加凹陷头部的距离Dr的作用。
如上所述，塞子210包括固定于外部电极222中的一个的至少一个衬垫260。因此，在所示出的实施方式中，只有一个衬垫260用实线示出。然而，在其他实施方式中，塞子210包括二到四个衬垫260，每个衬垫分别固定于外部电极222中的一个。由此可知，为了示出替代性的衬垫配置，四个衬垫260中的三个用虚线示出。更详细的，用虚线示出一些衬垫260来代表塞子210的考虑到衬垫的数量和位置的可选配置。例如，在一个实施方式中，塞子210包括用实线示出和一个虚线示出的衬垫260，从而塞子210总共包括两个衬垫。第二衬垫260可以是虚线所示出的衬垫260中的任何一个。在一个实施方式中，第二衬垫260是固定于与实线所示出的衬垫260所连接的外部电极处于相对位置的外部电极222的衬垫260，以形成交错配置。在另一个实施方式中，第二衬垫260是固定于与实线所示出的衬垫260所连接的外部电极处于相邻位置的外部电极222的衬垫260，以形成并排配置。
在一些实施方式中，多于两个的衬垫260分别固定于多于两个的外部电极222。例如，在一个实施方式中，塞子210包括分别固定于三个外部电极的三个衬垫260(例如用实线示出的衬垫260和用虚线示出的衬垫260中的任意两个)。在其他实施方式中，塞子210包括分别固定于四个外部电极的四个衬垫260(例如用实线示出的衬垫260和用虚线示出的衬垫260中的所有三个)。尽管上述的实施方式所涉及的塞子210具有四个外部电极，但是在一些实施方式中，塞子可具有少于或多于四个的外部电极。在后者的实施方式中，考虑到塞子的数量和配置，衬垫的数量和配置是可变的。例如，带有一个单独的同心的外部电极的塞子可具有一个固定于单独的外部电极的单独的环形衬垫，或者根据需要在一个单独的电极周围固定任意数量的隔开间隔的塞子。作为另一种选择，对于带有两个、三个、或多于四个外部电极的塞子，外部电极中的任意一个或更多个可根据需要包括固定于其的一个衬垫。
塞子210的衬垫260可以用任何材料制造。在一个实施方式中，用金属制造衬垫260，该金属例如是铂，或其他贵金属。衬垫260的材料可以与外部电极的材料不同。基于系统的应用或想要的特性，可以调整衬垫260的配置。例如，可对衬垫260的高度和宽度进行调整以得到不同的结果。可用现有技术中已知的任意连接方式将衬垫260固定于外部电极222的末端224，例如用焊接、粘着、紧扣等等。
参照图6，示出了火花塞310的另一个实施方式，可与被动预燃室、燃料供给预燃室或开式燃烧室组合使用，有助于从塞子的间隙清除残余废气，类似于上述凹陷的中央电极，有助于将进入的新鲜的空气/燃料混合物导向经过电极间隙。塞子310类似于塞子10、110，类似的标号指代类似的元件。例如，塞子310包括每个都带有末端表面324的多个外部电极322环绕的带有末端表面332的一个中央电极330。在所示出的实施方式中，中央电极330的末端表面332实质上与外部电极322的末端表面324共面(例如非凹陷)。然而在其他实施方式中，中央电极330的末端表面332也可以不与外部电极322的末端表面324共面(例如凹陷)。
不管凹陷与否，作为像塞子10、110那样使中央电极330的末端表面332作为一个单独的表面的替代，将末端表面332用形成在末端表面332上的多重通道334A、334B划分为四个末端子表面。在所示出的实施方式中，通道334A、334B包括第一通道334A，第一通道334A在直径方向上从中央电极330邻近第一外部电极322A的一侧向中央电极邻近与第一外部电极相对的第二外部电极322B的相对侧延伸。类似地，第二通道334B与第一通道334A相对垂直地延伸，在直径方向上从中央电极330邻近在第一和第二外部电极322A、322B之间的第三外部电极322C的一侧向中央电极邻近与第三外部电极相对的第四外部电极322D的相对侧延伸。因此，通道334A、334B将中央电极330的末端表面332划分为四个相等的四分之一圆。通道334A、334B协助将进入的新鲜的空气/燃料混合物(在压缩冲程中进入中央电极330)在径向上向外地朝外部电极322A-D引导且经过中央和外部电极之间的侧面间隙340。新鲜的空气/燃料混合物引导为经过间隙340有助于清除或替换间隙中遗留的残余废气。
在某些实施方式中，通道334A、334B可在中央电极330上具有任意的角定向。例如，在一些实施方式中，通道334A、334B的中央电极330上的角定向实际上可相对于在图6示出的实施方式中的中央电极330上的通道的角定向旋转45度。换句话说，在这种实施方式中，中央电极330的通道334A、334B在直径方向上从中央电极330邻近在外部电极322之间的周向间隙335的一侧向中央电极邻近相对的周向间隙335的相对侧延伸。
根据想要的流动和/或燃烧特性，通道334A、334B可以具有任意的宽度和深度。而且，宽度和/或深度不必沿着通道334A、334B的整个长度都保持不变。例如，在一些实施方式中，通道334A、334B的宽度可以沿着通道的长度变窄或变宽(例如从塞子的中央轴的最大宽度变窄到中央电极的径向外缘的最小宽度)。类似地，在一些实施方式中，通道334A、334B的宽度可以沿着通道的长度变深或变浅。另外，尽管所示出的实施方式中的塞子310包括两个在直径方向上延伸的通道334A、334B，但是在其他实施方式中，根据需要可以有多于或少于两个的在直径方向上延伸的通道。此外，尽管通道334A、334B在中央电极头部的整个直径上延伸，但是在一些实施方式中，通道可以只在中央电极头部的直径的一部分上延伸(例如从中央电极头部的弦开始)。
参照图7，示出了根据一个实施方式的带有形成在中央电极的外周缺口434的火花塞410。火花塞410可与被动预燃室、燃料供给预燃室或开式燃烧室组合使用，有助于从塞子的间隙清除残余废气，类似于上述凹陷的中央电极，有助于将进入的新鲜的空气/燃料混合物导向经过电极间隙。塞子410类似于塞子10，类似的标号指代类似的元件。例如，塞子410包括每个都带有末端表面424的多个外部电极422环绕的带有末端表面432的一个中央电极430。在所示出的实施方式中，中央电极430的末端表面432实质上与外部电极422的末端表面424共面(例如非凹陷)。然而在其他实施方式中，中央电极430的末端表面432也可以不与外部电极422的末端表面424共面(例如凹陷)。
不管凹陷与否，作为像塞子10、110那样使中央电极430的末端表面432实质上缺乏表面特征的替代，末端表面432包括多个形成在中央电极的 外缘436周围的沟槽、缺口、或锯齿434。塞子410的外周沟槽434可具有任意的尺寸和形状。例如，外周沟槽434可实质上如所示出的那样形成为楔形且相对于中央电极430的末端表面432具有任意的深度和角度。而且，沟槽434可具有任意的剖面形状，例如所示出的三角形，或者半圆形、矩形等等。此外，不管是否取决于沟槽的尺寸，每个中央电极可具有任意数量的位于中央电极的外周附近的沟槽434。沟槽434可以如所示出的那样隔开相等的距离，或者沟槽434之间的间隔也可以有变化。类似于塞子310的通道334A、334B，塞子410的外周沟槽434协助将进入的新鲜的空气/燃料混合物(在压缩冲程中进入中央电极330)在径向上向外地朝外部电极422引导且经过中央和外部电极之间的侧面间隙440。新鲜的空气/燃料混合物引导为经过间隙440有助于清除或替换间隙中遗留的残余废气。
参照图8，示出了根据一个实施方式的带有锥形中央电极630的火花塞610。火花塞610可与被动预燃室、燃料供给预燃室或开式燃烧室组合使用，有助于从塞子的间隙清除残余废气，类似于上述凹陷的中央电极，有助于将进入的新鲜的空气/燃料混合物导向经过电极间隙。塞子610类似于塞子10，类似的标号指代类似的元件。例如，塞子610包括每个都带有末端表面624的多个外部电极622环绕的带有末端表面632的一个中央电极630。在所示出的实施方式中，中央电极630实质上相对于外部电极622的末端表面624非凹陷。然而在其他实施方式中，中央电极630可以相对于外部电极622的末端表面624凹陷。
不管中央电极630凹陷与否，中央电极630的末端表面632与外部电极622的末端表面624不共面。相反，末端表面632在径向上向外远离塞子610的中央轴614，相对于外部电极622的末端表面624呈角度θ形成为锥形。因此，中央电极630的末端表面632实质上规定了圆锥形的表面，圆锥的顶点与中央轴614对齐。换句话说，末端表面632从末端表面的中央位置朝内容积650向内地形成锥形。锥形末端表面632的角度θ可以选择为协助将进入的新鲜的空气/燃料混合物在径向上向外地朝外部电极622引导且经过中央和外部电极之间的侧面间隙640进入内容积650的任意角度。新鲜的空气/燃料混合物引导为经过间隙640有助于清除或替换间隙中 遗留的残余废气。在一些实施方式中，角度θ在大约1度到大约25度之间。在一个特别的实施方式中，角度θ可以是大约5度。
参照图9，示出了根据一个实施方式的带有锥形外部电极724的火花塞710。火花塞710可与被动预燃室、燃料供给预燃室或开式燃烧室组合使用，有助于从塞子的间隙清除残余废气，类似于上述凹陷的中央电极，有助于将进入的新鲜的空气/燃料混合物导向经过电极间隙。塞子710类似于塞子10，类似的标号指代类似的元件。例如，塞子710包括每个都带有末端表面724的多个外部电极722环绕的带有末端表面732的一个中央电极730。在所示出的实施方式中，中央电极730实质上相对于外部电极722的末端表面724非凹陷。然而在其他实施方式中，中央电极730可以相对于外部电极742的末端表面724凹陷。
不管中央电极730凹陷与否，外部电极722的末端表面724与中央电极730的末端表面732不共面。相反，末端表面724在径向上向内靠近塞子710的中央轴714，相对于中央电极730的末端表面732呈角度φ形成为锥形。换句话说，末端表面724从外部电极的外缘726朝内容积750向内地形成锥形。锥形末端表面724的角度φ可以选择为协助将进入的新鲜的空气/燃料混合物引导为经过中央和外部电极之间的侧面间隙740进入内容积750的任意角度。新鲜的空气/燃料混合物引导为经过间隙740有助于清除或替换间隙中遗留的残余废气。在一些实施方式中，角度φ在大约1度到大约25度之间。在一个特别的实施方式中，角度φ可以是大约10度。
参照图10，示出了根据一个实施方式的带有锥形中央电极830和锥形外部电极824的火花塞810。火花塞710可与被动预燃室、燃料供给预燃室或开式燃烧室组合使用，有助于从塞子的间隙清除残余废气，类似于上述凹陷的中央电极，有助于将进入的新鲜的空气/燃料混合物导向经过电极间隙。塞子810实际上将塞子610和710的锥形表面特征组合进一个单独的塞子，着重或提升了将进入的新鲜的空气/燃料混合物引导为经过中央和外部电极830、822之间的侧面间隙840进入内容积850的重定向，以有效清除间隙中的废气。塞子810的锥形表面824、832规定的角度可以与上述涉及的塞子610、710的锥形的外部和中央电极各自的角度特征相同或相类似。
尽管在此所述的一些火花塞的实施方式记载为操作在基于被动预燃室的燃烧系统中，但是可知本发明的实施方式中的火花塞也可以操作在其他类型的燃烧系统中。例如，在此所述的实施方式中的一些火花塞(例如凹陷火花塞)可操作在基于燃料供给预燃室和开式燃烧室的燃烧系统以达成与上述的清除残余废气相同或相类似的优点和好处。在基于燃料供给预燃室的燃烧系统中，直接向预燃室内导入燃料。在基于开式燃烧室的燃烧系统中，火花塞直接与主燃室接触(即没有预燃室)。
根据如图11中示出的一个实施方式，镶嵌式被动预燃室装置900直接安装于内燃机的汽缸头部930。传统内燃机的汽缸头部930包括多个用于装入传统的火花塞的火花塞凹陷933。当汽缸头部930安装于汽缸体时，传统的火花塞通常分别装入凹陷933，从而传统的火花塞的全部或一部分阴极和阳极电极分别位于发动机或汽缸体950的主燃室955内(例如参见图13)。凹陷933与空气-燃料混合物入口935可流通地连接，以从源头接收空气-燃料混合物。此外，发动机通常包括防火层937的低部表面所规定的凹处中的垫圈940。垫圈940对汽缸头部930和汽缸体950之间的连接进行密封。
如图11所示，用镶嵌式被动预燃室装置900代替传统的火花塞，装入火花塞凹陷933。预燃室装置900包括规定了预燃室915的或主体部盖部或插入部905。预燃室915有效地在空间上将主燃室955和火花塞(例如火花塞110)隔开。主体部905包括一个或更多的节流孔或喷嘴910，使预燃室915与主燃室955流体连接。如上所述，预燃室对预混合的稀薄燃烧天然气发动机的燃焰的着火和传播特别有用。主体部905配置为当安装入凹陷933时，当恰当地安装入汽缸头部930的凹陷933时，主体部的最底下的表面907实质上与防火层940平齐。如图所示，主体部905包括与对应的凹陷933的凸耳911啮合的唇口909以进一步防止装置900向下运动。主体部905一般配置为唇口909与凸耳911啮合，最底下的表面907与防火层940平齐。主体部905可包括与传统的火花塞上的连接器(例如外螺纹)匹配的连接器960(例如外螺纹)。该连接器与形成在凹陷933内的对应的连接器962(例如内螺纹)紧密耦合以将装置900固定于汽缸头部930。主体部905进一步包括用于从汽缸头部的入口935接收空气-燃料混合物的预燃室 入口孔。
主体部905包括配置为将火花塞110接收并保持在主体部内的插孔907，从而阴极和阳极电极位于预燃室915内。如上所述，预燃室火花塞可以是如图1-10中示出的如上所述的任意的相应的火花塞。此外，预燃室火花塞也可以是没有在此特别说明的任意其他的火花塞。
参照图12，根据一个实施方式，燃料供给预燃室装置1000直接安装于内燃机的汽缸头部1030。汽缸头部1030涉及到带有设计为接收传统的火花塞的凹陷1033的传统的汽缸头部。凹陷1033与空气入口1035和排气出口1037可流通地连接。燃料供给预燃室装置代替传统的火花塞装入火花塞凹陷1033。如同预燃室装置900那样，预燃室装置1000有效地在空间上将形成在汽缸体1050内的主燃室和火花塞(例如火花塞110)隔开。
燃料供给预燃室装置1000包括带有双片结构的主体部1002。主体部1002的第一部分1004规定了预燃室1015，第二部分1006将火花塞110固定于使阴极和阳极电极至少部分位于预燃室内的位置。主体部1002的第一部分1004包括一个或更多的节流孔或喷嘴1010，使预燃室1015与汽缸体1050内的主燃室1052流体连接。第二部分1006包括与预燃室1015相通以提供燃料的燃料入口1031。来自燃料入口1031的燃料和来自空气入口1035的空气在预燃室1015内混合。因此，燃料供给预燃室装置1000与被动预燃室900的区别在于，在装置1000内空气和燃料在预燃室内混合，但是空气在进入装置900的预燃室之前就与燃料预混合。
如图13所示，根据一个实施方式，本发明的火花塞(例如凹陷火花塞110)装入开式燃料室燃烧系统1100。如图所示，凹陷火花塞110与形成在系统1110的汽缸头部1130上的火花塞凹陷1120螺纹啮合。与图11和12所涉及的基于预燃室的燃烧系统所不同的是，凹陷火花塞110的阴极和阳极电极位于发动机的汽缸体1150的主燃室1110内。因此，与在与主燃室流体连接的预燃室内相反，在主燃室内凹陷火花塞110产生的火花对燃烧火焰进行着火。尽管在开式燃料室燃烧系统1100内没有预燃室，但是凹陷火花塞110仍然是有用的，有助于清除火花塞的电极间隙内的残余废气，从而在主燃室1110内实现高效燃烧。
在上述说明书中使用了某些术语，例如“上”、“下”、“上方”、“下方”、“水平”、“垂直”、“左”、“右”等等。这些使用的术语适用于在处理相对关系时提供一些清楚的表述。但是，这些术语并不是指绝对关系、位置、和/或方向。例如，考虑一个物体，通过简单地翻转该物体，“上”表面可变为“下”表面。尽管如此，仍然是相同的物体。
可以理解的是在此所提交的附图仅为本发明的主题的典型实施例，因此不认为是其范围的限定，通过使用附图对本发明的主题的附加特征和细节进行描述和解释。
贯穿本说明书提及的“一个实施例”、“实施例”，或类似的语言意味着结合实施例描述的特定的特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书的“在一个实施例中，”、“在实施例中”和类似短语的出现，可以但不一定全部指的是相同的实施例。类似地，术语“实现”的使用意味着具有结合本公开的一个或多个实施例所描述的特定的特征、结构或特性的实现，但是，如果没有明确的相关性表述，该实现可以与一个或多个实施例相关。
整个说明书中提到的特征、优点或类似语言并不意味着根据本公开的主题可以实现的所有特征和优点应该在或在任何单一的实施例中。相反，所指特征和优点的语言应被理解为意味着与实施例有关的特定的特征、优点或特性被包括在本发明公开的至少一个实施例中。因此，特征、优点和类似语言的讨论，在整个说明书中可以但并非必须指代同一个的实施例。
本发明所公开的主题中所述的特征、结构、优点和/或特性可以在一个或多个实施例和/或实现方式中以任何合适的方式组合。在下面的描述中，提供了许多具体细节以使本发明所公开的主题的实施例的能得到充分理解。相关领域技术人员将认识到本发明所公开的主题可以在无需一个或多个特定的特征、细节、组件、材料的情况下和/或无需特定的实施例或实施方式的方法的情况下实践。在其他实例中，在某些实施例和/或实施方式中可以认识到额外的特征和优点，这些额外的特征和优点可能不存在于所有的实施例或实现方式中。此外，在某些情况下，众所周知的结构、材料或操作没有被示出或详细描述，从而避免掩盖了本发明所公开的主题的各方 面。本发明所公开的主题的特征和优点根据下面的描述和所附权利要求将变得更加显而易见，或者可通过下文所述的主题的实践来获知。
本发明所公开的内容可以以其他具体形式体现而不背离其精神或本质特征。所述实施例被认为在所有方面都仅是说明性的而不是限制性的。本公开的范围因此由所附的权利要求不是由前面的描述来表明。所有在权利要求的等同物的含义和范围内的变化都在其范围之内。

Claims (17)

1.一种用于内燃机的火花塞，
该火花塞包括中央电极和至少一个外部电极，
该中央电极到达在中央轴周围规定的第一末端表面为止，
该至少一个外部电极到达第二末端表面为止，
该至少一个外部电极至少在侧面部分地环绕中央电极，从而第二末端表面相对于中央电极在径向上偏置，以在该中央电极和该至少一个外部电极之间规定侧面间隙，
该火花塞的特征在于，
该中央电极的第一末端表面相对于该至少一个外部电极的第二末端表面在轴向上凹陷，
第一末端表面在径向上从第一末端表面的中央位置向外远离中央轴形成为锥形，第二末端表面在径向上向内靠近中央轴形成为锥形。
2.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，
该火花塞包括多个外部电极。
3.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，
该中央电极的第一末端表面相对于该至少一个外部电极的第二末端表面凹陷至大约一毫米。
4.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，
该中央电极包括对第一末端表面进行规定的汽缸头部，该中央电极进一步包括相对于至少一个外部电极对头部进行支撑的柄部，从而在中央电极的头部和该至少一个外部电极之间对侧面间隙进行规定。
5.根据权利要求1所述的火花塞，
至少一个衬垫与该至少一个外部电极的第二末端表面连接，
该火花塞的特征在于，
该至少一个衬垫的第三末端表面相对于该中央电极的第一末端表面在轴向上偏置。
6.根据权利要求5所述的火花塞，其特征在于，
该火花塞包括多个外部电极和多个衬垫，多个外部电极中的每一个外部电极都分别连接于多个衬垫中的一个衬垫。
7.根据权利要求5所述的火花塞，其特征在于，
该火花塞包括多个外部电极但只包括两个衬垫，该两个衬垫分别连接于多个外部电极中的两个外部电极。
8.根据权利要求7所述的火花塞，其特征在于，
连接有衬垫的该多个外部电极中的两个外部电极分别相邻。
9.根据权利要求7所述的火花塞，其特征在于，
连接有衬垫的该多个外部电极中的两个外部电极分别在至少一个外部电极的相对侧。
10.根据权利要求5所述的火花塞，其特征在于，
该至少一个外部电极用第一材料制造且该至少一个衬垫用与第一材料不同的第二材料制造。
11.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，
该中央电极包括形成在第一末端表面上的至少两条细长通道。
12.根据权利要求11所述的火花塞，其特征在于，
该至少两条细长通道在直径上穿过第一末端表面相互垂直地延伸。
13.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，
进一步包括：形成在第一末端表面的外缘周围的第一末端表面上的多个缺口。
14.根据权利要求13所述的火花塞，其特征在于，
该多个缺口中的每一个缺口实质上形成为楔形。
15.根据权利要求13所述的火花塞，其特征在于，
该多个缺口在第一末端表面的外缘周围互相之间隔开相等的距离。
16.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，
该中央电极的第一末端表面形成为相对于该至少一个外部电极的第二末端表面有角度的锥形，该角度在一度和二十五度之间。
17.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，
该至少一个外部电极的第二末端表面形成为相对于该中央电极的第一末端表面有角度的锥形，该角度在一度到二十五度之间。
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