CN104752957B - 串联间隙多点放电火花塞 - Google Patents

Abstract

本发明是一种放电火花塞，特别涉及一种串联间隙多点放电火花塞，用于点燃式发动机。包括接线螺杆，所述的接线螺杆置于绝缘体内，所述的绝缘体铆接在壳体内，所述的绝缘体尖端内部设有中心电极，所述的中心电极与接线螺杆间设有内置阻尼电阻，所述的绝缘体的底部设有与绝缘体相配接的陶瓷多点放电点火台，所述的陶瓷多点放电点火台与绝缘体间形成腔体组件，所述的陶瓷多点放电点火台上端的外壁与壳体相紧固，所述的陶瓷多点放电点火台的底部设有点火电极组件。串联间隙多点放电火花塞提高了点火时混合气的温度和压力，使着火性能得到改善，燃烧持续时间缩短，提高了发动机性能。

Description

串联间隙多点放电火花塞

技术领域

本发明是一种放电火花塞，特别涉及一种串联间隙多点放电火花塞，用于点燃式发动机。

背景技术

目前在以汽油,燃气,醇类等为燃料的点燃式发动机里使用的绝大部分火花塞一般包括,绝缘体,壳体密封垫圈,接线螺母等,绝缘体内设置中心电极,内置阻尼电阻,经高温封接和接线螺杆连接作为点火的正极;壳体上焊接有镍合金材料的侧电极,与发动机安装后作为地极,中心电极与侧电极形成勾状跳火间隙,当发动机点火时刻,在发动机管理系统（ECU）的指令下控制高压点火线圈产生脉冲高压电能,经高压导线到火花塞接线螺杆(独立式高压线圈直接把高压正极加在接线螺杆上)，脉冲高压在侧电极和中心电极之间的间隙产生高压击穿电火花，进而引燃压缩的混合气体，爆燃的混合气膨胀推动活塞使发动机做功。

自汽车发明到现在已有120多年的历史，火花塞的基本形式没有任何改变。由于火花塞结构的限制和传统生产工艺的发展制约，到目前为止，不管何种高技术火花塞包括多侧电极的火花塞，在实际工作时只能产生一个放电点来引燃混合气。所有的火花塞技术区别只是在点火尖端材料上和点火尖端结构上做了一些提高，目地只是延长工作寿命。即使有所谓的能提高点火性能的技术特点，也只是和传统普通电极火花塞比较的相对而言，没有技术本质的区别。因为火花塞根本不会产生任何能量，点火的高压能量是由电脑控制的高压线圈提供的，所谓高能火花塞是不存在的。到目前为止,汽车行业尚无任何企业和个人能提供一种理论上先进，切实可行的能在相隔一定距离内同时多点点火的火花塞。

由于传统火花塞绝缘体内中心电极结构上的原因,伸入汽缸点火的核心部分绝缘体是裙部大面积接触高温燃烧气体吸热,散热是依靠绝缘体后段内密封垫片同壳体的小面积接触导热,因而针对不同要求的发动机会有不同热值设计的火花塞。正是由于这种中心电极延伸结构的制约，传统火花塞的散热性能成了火花塞的难以进一步完善的技术障碍。发动机扭矩和马力测试显示的数据可以反映出任何发动机的动力输出到一定转速时会下降,而不可能一直线性上升，既燃油增加,动力下降,其根本原因就是火花塞的散热到了极限值,引起发动机早燃而导致动力下降。正是由于传统火花塞的中心电极和侧电极点火结构,动力特征非线性是不可克服的技术屏障。

现代发动机技术发展方向集中于关注燃烧动力经济性和环保排放的严格要求，人们对发动机点火燃烧理论和实践进行了大量了的研究，特别是在燃烧模式，点火方式，及其相互之间的关系和对发动机动力性能和油耗，排放的规律进行了新层面的研究。火花塞放电点火机理分为三个过程：分别是高压击穿，电弧放电和辉光放电三个阶段；如图所示，火花塞实际只工作极短的时间，但是对发动机的燃烧起了决定性的作用。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中存在的不足，结构紧凑，提供一种多点同时引燃混合气体，使完全燃烧时间缩短的点火装置，在不改变其他部件前提下提高发动机动力性最有效途径的串联间隙多点放电火花塞。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种串联间隙多点放电火花塞，包括接线螺杆，所述的接线螺杆置于绝缘体内，所述的绝缘体铆接在壳体内，所述的绝缘体尖端内部设有中心电极，所述的中心电极与接线螺杆间设有内置阻尼电阻，所述的绝缘体的底部设有与绝缘体相配接的陶瓷多点放电点火台，所述的陶瓷多点放电点火台与绝缘体间形成腔体组件，所述的陶瓷多点放电点火台上端的外壁与壳体相紧固，所述的陶瓷多点放电点火台的底部设有点火电极组件；

所述的腔体组件包括正极高压连接腔体，所述的绝缘体的底部伸至陶瓷多点放电点火台中，所述的正极高压连接腔体设在绝缘体的底部与陶瓷多点放电点火台间，所述的中心电极的底部延伸出绝缘体，所述的正极高压连接腔体的底部设有与中心电极底部相配接的正极高压电极连线，所述的正极高压电极连线设在陶瓷多点放电点火台中；

或，所述的正极高压连接腔体组件包括迷宫式正极高压连接腔体和迷宫式正极高压电极连线，所述的绝缘体的底部伸至陶瓷多点放电点火台中，所述的迷宫式正极高压连接腔体设在绝缘体的底部与陶瓷多点放电点火台间，所述的迷宫式正极高压连接腔体的中心位设有凸台，所述的凸台伸至绝缘体的底部，所述的迷宫式正极高压电极连线设在凸台的中心位，所述的迷宫式正极高压电极连线与中心电极底部相配接，所述的迷宫式正极高压电极连线设在陶瓷多点放电点火台中，所述的凸台与陶瓷多点放电点火台呈一体化分布；

所述的点火电极组件包括带有一个接地电极和带有一个正极电极，所述的正极电极与正极高压电极连线或迷宫式正极高压电极连线相连接，接地电极与正极电极间形成放电点火间隙，接地电极与正极电极分别通过内置电极连线相连通；

或，所述的点火电极组件包括带有一个正极电极Ⅰ、至少一个跨接电极和接地电极Ⅰ，所述的正极电极Ⅰ与正极高压电极连线或迷宫式正极高压电极连线相连接，正极电极Ⅰ与跨接电极分别通过内置电极连线Ⅰ相连通，正极电极Ⅰ与跨接电极间、接地电极Ⅰ与跨接电极间分别形成放电点火间隙Ⅰ；

所述的接地电极与接地电极Ⅰ分别与壳体相触接；

所述的接地电极、正极电极、正极电极Ⅰ、跨接电极和接地电极Ⅰ分别为针状直立电极；

所述的内置电极连线与内置电极连线Ⅰ置于陶瓷多点放电点火台中。

作为优选，所述的壳体外壁的中端套有外密封垫片，所述的绝缘体与壳体间形成内密封垫片，所述的内密封垫片呈倾斜状分布，所述的陶瓷多点放电点火台上端的外壁与壳体间形成侧散热接触面，所述的陶瓷多点放电点火台与壳体的底部间形成底散热接触面，所述的陶瓷多点放电点火台的上部与壳体间设有柔性密封垫片。

作为优选，所述的陶瓷多点放电点火台下端的外壁设有均匀分布的爬电伞棱，所述的陶瓷多点放电点火台下端呈圆柱状或锥状，

作为优选，所述的跨接电极呈圆弧状分布，所述的放电点火间隙间的间距、放电点火间隙Ⅰ的间距分别为0.3-5.0mm，所述的内置电极连线与正极高压电极连线或迷宫式正极高压电极连线呈一体化分布，所述的内置电极连线Ⅰ与正极高压电极连线或迷宫式正极高压电极连线呈一体化分布。

作为优选，所述的跨接电极有二个，放电点火间隙Ⅰ设在相邻跨接电极间。

点火电极组件与陶瓷烧结成一体形成陶瓷多点放电点火台，是本专利的核心内容。

为防止高压泄露，正极高压连接腔体可设置为增加爬电距离的迷宫式结构。

通过缩短燃烧时间，提高发动机燃烧速率，进而达到节能，减少有害物质的排放，保证点火可靠性和提升动力等发动机技术改进目标。

发动机燃烧理论和实践已经证明，在发动机点火瞬间，从开始放电引燃混合气体到完全爆燃做功是需要一定时间的，在压缩的混合气体空间内，空间越大，燃烧完全需要的时间越长，目前的技术是缩小缸径和是控制发动机点火的提前角度来使完全燃烧时间处于发动机活塞过上死点后的某一理想时刻（一般控制在过上死点的10-15度）,使燃料完全做功,如果能在受控范围内缩短发动机混合气体的完全燃烧时间，就可以减少点火提前角，使燃料爆燃性增加, 使有效做功时刻控制在理想范围内。如果在燃烧室内有多点同时产生多个有限距离的火焰中心情况下，可以达到缩短完全燃烧时间，增加发动机的爆燃性，从而使发动机的瞬间受控的爆发动力性得到提升。因而，在其他技术已经发展到极致的情况下，增加缸内点火点，有效缩短完全燃烧时间，提高缸内压缩混合气的爆燃性，在不改变其他零件情况下来提高发动机的燃烧速率,无疑是一项有革命性的进步。

陶瓷多点放电点火台中设有点火电极组件，采用陶瓷共烧技术成为一体，直立安置多对点火电极，电极间串联连通形成高压放电回路，各对电极之间的间隙可实现多点同步放电点火。

绝缘体的底部的点火平台面积较小，在平台端面点火，高压放电产生多点的火焰核可成半圆柱状扩张；初始火焰核的起燃速度明显大于单点放电形式的传统火花塞，燃烧距离缩短，完全燃烧时间缩短；既缩短缸内产生最高压力的时间,这是对发动机动力性能的直接增益。

直立平行设置的多对放电电极，电极间沿面放电方式，可在较低的电压下击穿压缩混合气，强化高压击穿起燃瞬间激发热离子电流参与助燃。

长距离无遮挡放电间隙，有助于火焰核的形成，不易被电极冷却消焰；提高初始引燃速度，提高点着率。

此结构有利于消除积碳因素，保证在不同工况条件下的点火可靠性。

陶瓷多点放电点火台与壳体间的侧散热接触面和底散热接触面，采用焊接连接方式，有良好的导热结构，更能保证火花塞的密封性能。

有效的热设计跨越热值概念，通用性强。

微损耗贵金属放电电极有无限长的使用寿命。

在极其有限的空间内，利用火花塞断面尺寸的差异，在点火端面设置各一对或多对串联的点火电极，形成至少两个同步放电间隙，在发动机高压点火时刻实现多点同时（电的速度远远高于火焰的燃烧速度）点火引燃有距离差的不同位置的混合气体，使多点火焰核迅速扩散交集，达到缩短发动机总的完全燃烧时间的目的。

陶瓷多点放电点火台由高性能氧化铝或者氮化硅陶瓷制作而成，本专利的核心内容就是在陶瓷多点放电点火台内设置多对直立放置的耐高温且相互绝缘的放电电极，各电极由耐高温合金导电引线连通，内置电极连线与内置电极连线Ⅰ分别为耐高温合金导电引线，或者采用印刷涂刷工艺制造出电极之间的导电连线结构。放电电极、电极之间的串联高温合金引线、用陶瓷共烧技术烧接成一体，从而有效解决了结构、强度、密封、耐温和电极之间的高压绝缘问题，确保了产品工作的可靠性。点火台同壳体内设置辅助密封台阶，之间安放有柔性的导热密封垫片，为点火台机械式连接方式提供缓冲和辅助密封，点火台和壳体安装密封后有较大的导热面积直接和壳体紧密接触，极大增加了陶瓷点火台的散热功能。外露的接地电极的地极端引线通过焊接或压接与壳体端面连通，形成串联高压点火回路的接地极。

陶瓷多点放电点火台上端面各对贵金属电极之间为直立平行沿面放电结构，各对点火电极之间的放电间隙拉长到普通结构火花塞的两到三倍（根据不同放电点设定参数），可使纵向截面的火焰核形成半圆柱型快速扩散（传统火花塞是单点按球形受电极压抑扩散），因为是单向开放式点火，在火焰核引燃和扩散过程中不受到火花塞结构的影响（而传统火花塞在火焰核生成初期极易受到侧电极的和中心电极的阻挡和电极温度和结构的影响，由于容易受电极温度消焰作用，在燃烧理论的起燃阶段会产生点火失效的缺陷（占空比高）。瓷制点火台外圆有防止电极与壳体爬电的增加爬电距离的绝缘棱状结构,确保高压放电限制在各对电极之间发生。中心电极的连接点设置有迷宫式隔离结构，防止脉冲点火高压泄漏。

本结构采用沿面击穿放电形式来释放点火能量的，即放电是沿中心电极与侧电极之间的绝缘体表面进行的，由于传统火花塞的中心电极与侧电极的钩状结构放电距离短，跳火性能差。因为点火间隙的大小受电源电压的制约，一般为0.6～1.3mm左右。较短的放电距离使初始火花不能充分的“发育”为必需的火焰中心，电火花热量也较多地被侧电极和中心电极吸收冷却，降低了电火花的能量，存在点火失效的隐患；若加大点火间隙，则需要提高点火电压，由于火花塞结构的原因，电压提高极易导致内部击穿或导致“失火”，这是一对传统火花塞不可克服的矛盾。沿面放电发生于每对直立电极之间的绝缘体陶瓷表面和混合气的交界面，在高压电场的激励下，陶瓷表面电场发生畸变会增大局部电场强度，导致局部先发生放电，由此促使放电的进一步发展，直至整个电极间隙击穿。这种放电机理使沿面间隙比同宽度空气间隙的击穿电压降低要多。若在相同击穿电压下，沿面间隙比空气间隙的放电距离长。较长的放电距离能大大提高火花的能量。因为火花放电是由能量密度非常不一样的2部分组成，即电容放电部分和电感放电部分。前者具有高能密度，电压高，能在极短时间内放出；后者能量密度小，但在较长时间起作用。从电火花能量分布可看出电感部分的能量是电容部分的20～30倍，对加热周围混合气而形成火核起主要作用。电感部分持续时间越长点火成功率越好。加长放电距离将降低侧电极的“消焰作用”。电火花沿绝缘体表面烧尽油污积炭，避免电极之间的跨连，也避免绝缘体和壳体之间因附着燃烧沉积物导致电流泄漏的现象，保证怠速工况下的点火可靠性。

经实践证明，发动机在最佳点火条件下，一般只需0.2mJ点火能量即可成功点火，对较浓和较稀混合气，点火能量也只需3mJ。由于缸内气体的不均匀性和紊流的存在，为了保证发动机在各种工况下都能点火成功，应用于发动机的点火线圈的实际点火能量一般为30~50Mj。所有的能量在瞬间释放于一点.事实证明提高点火能量并不可能提高发动机的效率,只是提高点火可靠性而已,发动机动能的提高是由混合气体的燃烧速率决定的, 混合气燃烧的效率主要取决于混合气的浓度、温度、压力，及气缸内混合气扰流速度，与点火能量大小无关,但是和点火位置和火焰核的发展速度有直接的关联,本结构利用现代汽车点火系统的大能量点火线圈的特点，更有助于点火能力的均布释放，第一跳火间隙和第二跳火间隙或者第三间隙可以平均分配点火能量，使点火线圈过剩的能量即能保证点火成功率,又可不同位置的点火点真实的提高了发动机的燃烧速率.

因此，本发明提供的串联间隙多点放电火花塞，提高了点火时混合气的温度和压力，使着火性能得到改善，完全燃烧持续时间缩短，提高了发动机的动力效能。

附图说明

图1是本发明的剖视结构示意图；

图2是图1的底部结构示意图；

图3是本发明中单点沿面放电点火电极的位置分布图；

图4是本发明中两点沿面放电点火电极的位置分布图；

图5是本发明中三点沿面放电点火电极的位置分布图；

图6是本发明标准型的结构示意图；

图7是本发明铆接式的结构示意图；

图8是本发明快速散热型的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，一种串联间隙多点放电火花塞，包括接线螺杆1，所述的接线螺杆1置于绝缘体2内，所述的绝缘体2铆接在壳体3内，所述的绝缘体2尖端内部设有中心电极4，所述的中心电极4与接线螺杆1间设有内置阻尼电阻5，所述的绝缘体2的底部设有与绝缘体2相配接的陶瓷多点放电点火台6，所述的陶瓷多点放电点火台6与绝缘体2间形成腔体组件，所述的陶瓷多点放电点火台6上端的外壁与壳体3相紧固，所述的陶瓷多点放电点火台6的底部设有点火电极组件；

所述的腔体组件包括正极高压连接腔体7，所述的绝缘体2的底部伸至陶瓷多点放电点火台6中，所述的正极高压连接腔体7设在绝缘体2的底部与陶瓷多点放电点火台6间，所述的中心电极4的底部延伸出绝缘体2，所述的正极高压连接腔体7的底部设有与中心电极4底部相配接的正极高压电极连线8，所述的正极高压电极连线8设在陶瓷多点放电点火台6中；

或，所述的正极高压连接腔体组件包括迷宫式正极高压连接腔体9和迷宫式正极高压电极连线10，所述的绝缘体2的底部伸至陶瓷多点放电点火台6中，所述的迷宫式正极高压连接腔体7设在绝缘体2的底部与陶瓷多点放电点火台6间，所述的迷宫式正极高压连接腔体9的中心位设有凸台11，所述的凸台11伸至绝缘体2的底部，所述的迷宫式正极高压电极连线10设在凸台11的中心位，所述的迷宫式正极高压电极连线10与中心电极4底部相配接，所述的迷宫式正极高压电极连线10设在陶瓷多点放电点火台6中，所述的凸台11与陶瓷多点放电点火台6呈一体化分布；

所述的点火电极组件包括带有一个接地电极13和带有一个正极电极15，所述的正极电极15与正极高压电极连线8或迷宫式正极高压电极连线10相连接，接地电极13与正极电极15间形成放电点火间隙16，接地电极13与正极电极15分别通过内置电极连线17相连通；

或，所述的点火电极组件包括带有一个正极电极Ⅰ19、至少一个跨接电极20和接地电极Ⅰ21，所述的正极电极Ⅰ19与正极高压电极连线8或迷宫式正极高压电极连线10相连接，正极电极Ⅰ19与跨接电极20分别通过内置电极连线Ⅰ22相连通，正极电极Ⅰ19与跨接电极20间、接地电极Ⅰ21与跨接电极20间分别形成放电点火间隙Ⅰ23；

所述的接地电极13与接地电极Ⅰ21分别与壳体相触接；

所述的内置电极连线17与内置电极连线Ⅰ22置于陶瓷多点放电点火台6中。

所述的壳体3外壁的中端套有外密封垫片24，所述的绝缘体2与壳体3间形成内密封垫片25，所述的内密封垫片25呈倾斜状分布，所述的陶瓷多点放电点火台6上端的外壁与壳体3间形成侧散热接触面26，所述的陶瓷多点放电点火台6与壳体3的底部间形成底散热接触面27，所述的陶瓷多点放电点火台6的上部与壳体3间设有柔性密封垫片28。

所述的陶瓷多点放电点火台6下端的外壁设有均匀分布的爬电伞棱（29），所述的陶瓷多点放电点火台6下端呈圆柱状或锥状，

所述的跨接电极20呈圆弧状分布，所述的放电点火间隙16间的间距、放电点火间隙Ⅰ23的间距分别为0.3-5.0mm，所述的内置电极连线17与正极高压电极连线8或迷宫式正极高压电极连线10呈一体化分布，所述的内置电极连线Ⅰ22与正极高压电极连线8或迷宫式正极高压电极连线10呈一体化分布。

所述的跨接电极20有二个，放电点火间隙Ⅰ23设在相邻跨接电极30间。

Claims (5)

1.一种串联间隙多点放电火花塞，其特征在于：包括接线螺杆（1），所述的接线螺杆（1）置于绝缘体（2）内，所述的绝缘体（2）铆接在壳体（3）内，所述的绝缘体（2）尖端内部设有中心电极（4），所述的中心电极（4）与接线螺杆（1）间设有内置阻尼电阻（5），所述的绝缘体（2）的底部设有与绝缘体（2）相配接的陶瓷多点放电点火台（6），所述的陶瓷多点放电点火台（6）与绝缘体（2）间形成腔体组件，所述的陶瓷多点放电点火台（6）上端的外壁与壳体（3）相紧固，所述的陶瓷多点放电点火台（6）的底部设有点火电极组件；

所述的腔体组件包括迷宫式正极高压连接腔体（9），所述的绝缘体（2）的底部伸至陶瓷多点放电点火台（6）中，所述的迷宫式正极高压连接腔体（9）设在绝缘体（2）的底部与陶瓷多点放电点火台（6）间，所述的中心电极（4）的底部延伸出绝缘体（2），所述的迷宫式正极高压连接腔体（9）的底部设有与中心电极（4）底部相配接的正极高压电极连线（8），所述的正极高压电极连线（8）设在陶瓷多点放电点火台（6）中；

或，所述的正极高压连接腔体组件包括迷宫式正极高压连接腔体（9）和迷宫式正极高压电极连线（10），所述的绝缘体（2）的底部伸至陶瓷多点放电点火台（6）中，所述的迷宫式迷宫式正极高压连接腔体（9）设在绝缘体（2）的底部与陶瓷多点放电点火台（6）间，所述的迷宫式正极高压连接腔体（9）的中心位设有凸台（11），所述的凸台（11）伸至绝缘体（2）的底部，所述的迷宫式正极高压电极连线（10）设在凸台（11）的中心位，所述的迷宫式正极高压电极连线（10）与中心电极（4）底部相配接，所述的迷宫式正极高压电极连线（10）设在陶瓷多点放电点火台（6）中，所述的凸台（11）与陶瓷多点放电点火台（6）呈一体化分布；

所述的点火电极组件包括带有一个接地电极（13）和带有一个正极电极（15），所述的正极电极（15）与正极高压电极连线（8）或迷宫式正极高压电极连线（10）相连接，接地电极（13）与正极电极（15）间形成放电点火间隙（16），接地电极（13）与正极电极（15）分别通过内置电极连线（17）相连通；

或，所述的点火电极组件包括带有一个正极电极Ⅰ（19）、至少一个跨接电极（20）和接地电极Ⅰ（21），所述的正极电极Ⅰ（19）与正极高压电极连线（8）或迷宫式正极高压电极连线（10）相连接，正极电极Ⅰ（19）与跨接电极（20）分别通过内置电极连线Ⅰ（22）相连通，正极电极Ⅰ（19）与跨接电极（20）间、接地电极Ⅰ（21）与跨接电极（20）间分别形成放电点火间隙Ⅰ（23）；

所述的接地电极（13）与接地电极Ⅰ（21）分别与壳体相触接；

所述的内置电极连线（17）与内置电极连线Ⅰ（22）置于陶瓷多点放电点火台（6）中。

2.根据权利要求1所述的串联间隙多点放电火花塞，其特征在于：所述的壳体（3）外壁的中端套有外密封垫片（24），所述的绝缘体（2）与壳体（3）间形成内密封垫片（25），所述的内密封垫片（25）呈倾斜状分布，所述的陶瓷多点放电点火台（6）上端的外壁与壳体（3）间形成侧散热接触面（26），所述的陶瓷多点放电点火台（6）与壳体（3）的底部间形成底散热接触面（27），所述的陶瓷多点放电点火台（6）的上部与壳体（3）间设有柔性密封垫片（28）。

3.根据权利要求1或2所述的串联间隙多点放电火花塞，其特征在于：所述的陶瓷多点放电点火台（6）下端的外壁设有均匀分布的爬电伞棱（29），所述的陶瓷多点放电点火台（6）下端呈圆柱状或锥状。

4.根据权利要求1或2所述的串联间隙多点放电火花塞，其特征在于：所述的跨接电极（20）呈圆弧状分布，所述的放电点火间隙（16）间的间距、放电点火间隙Ⅰ（23）的间距分别为0.3-5.0mm，所述的内置电极连线（17）与正极高压电极连线（8）或迷宫式正极高压电极连线（10）呈一体化分布，所述的内置电极连线Ⅰ（22）与正极高压电极连线（8）或迷宫式正极高压电极连线（10）呈一体化分布。

5.根据权利要求1或2所述的串联间隙多点放电火花塞，其特征在于：所述的跨接电极（20）有二个，放电点火间隙Ⅰ（23）设在相邻跨接电极（20）间。