CN105637216B - 受控火花点火火焰核心流动 - Google Patents

Abstract

在一些方面中，火花塞包括在火花塞的外壳中的火花间隙。火花塞包括在外壳的内部中的通道。在发动机运行期间，该通道引导流动通过火花间隙，主要地从外壳的燃烧室端部离开。通道能够以5米/秒或更大的速度引导流动。

Description

受控火花点火火焰核心流动

相关申请的交叉引用

本申请要求了2013年3月15日提交的美国专利申请No.13/833,226的优先权，其作为2011年3月8日提交的共同待决的美国专利申请No.13/042,599的部分继续申请且要求了其权益，所述美国专利申请No.13/042,599要求了2010年11月23日提交的美国临时专利申请No.61/416,588的权益。2013年3月15日提交的美国专利申请No.13/833,226也是2012年1月10日提交的共同待决的美国专利申请No.13/347,448的部分继续申请且要求了其权益，后者是2011年3月8日提交的美国专利申请No.13/042,599的部分继续申请，所述美国专利申请No.13/042,599要求了2010年11月23日提交的美国临时专利申请No.61/416,588的权益。

此申请要求了2013年10月3日提交的美国专利申请No.14/045,625的优先权，其作为2013年3月15日提交的美国专利申请No.13/833,226的继续申请，所述美国专利申请No.13/833,226是2011年3月8日提交的共同待决的美国专利申请No.13/042,599的部分继续申请且要求了其权益，所述美国专利申请No.13/042,599要求了2010年11月23日提交的美国临时专利申请No.61/416,588的权益。作为2013年3月15日提交的美国专利申请No.13/833,226的继续申请的2013年10月3日提交的美国专利申请No.14/045,625也是2012年1月10日提交的共同待决的美国专利申请No.13/347,488的部分继续申请且要求了其权益，所述美国专利申请No.13/347,488是2011年3月8日提交的美国专利申请No.13/042,599的部分继续申请，所述美国专利申请No.13/042,599要求了2010年11月23日提交的美国临时专利申请No.61/416,588的权益。

技术领域

本说明书涉及用于内燃机的火花塞。

背景技术

以例如天然气的气体燃料运行的发动机通常被供给以稀薄燃料混合物，所述燃料混合物是空气和燃料的混合物，所述混合物包含超过“在化学上恰当的”或化学计量比的量的过多的空气。稀薄燃料混合物经常导致例如缺火、不完全燃烧的不良燃烧和不良的燃料经济性，且改进燃烧的努力经常导致爆震或使用高能火花，这导致火花塞的短寿命。可能导致此情况的一个因素是常规火花塞有效且一致地点燃在运行的发动机的气缸内的稀薄燃料混合物的能力差。稀薄燃料混合物的更有效的燃烧可使用预燃烧室或预燃室来实现。

预燃室火花塞典型地用于促进在例如天然气稀薄燃烧发动机或汽车稀薄汽油机的稀薄燃烧发动机中的稀薄可燃性极限。在已知的预燃室火花塞中，例如在美国专利No.5,554,908中公开的预燃室火花塞中，火花间隙约束在腔内，所述腔具有可代表总发动机气缸排量的相对小的部分的体积。腔的一部分成形为拱顶且具有多种切向引入/喷射孔。在运行期间，当压缩循环期间发动机活塞向上移动时，促使空气/燃料混合物通过引入孔到预燃室内。孔的定向可确定预燃室腔内侧的空气/燃料混合物的运动和在离开预燃室时的反作用射流的运动。

当预燃室腔内的空气/燃料混合物的燃烧率增加时，结果是更高穿透的火焰射流进入发动机燃烧室中。这些火焰射流改进了发动机以更稀薄的空气/燃料混合物实现在发动机燃烧室内更迅速和可重复性的火焰传播的能力。许多常规的预燃室火花塞具有不可重复的且不可预测的性能特征，这可能导致高于希望的变化系数（COV）和缺火，这是粗糙的测量值。此外，许多常规的预燃室火花塞对于制造变动敏感且遭受差的燃烧气体扫气，这进一步导致增加的COV。

火花塞设计中的一个挑战是造成如下的火花塞，尽管在内燃机中新鲜进气将在许多方面（例如，当量比、湍流、温度、残余物）在各循环中通常不是均匀的或可重复的事实，所述火花塞能够实现在燃烧过程期间的可重复和可控制的点火延迟时间。也希望具有如下火花塞，所述火花塞对于制造或其部件或组件中的变化相对不敏感。

火花塞设计中的另一个挑战是过早的火花塞磨损。典型地，过早的火花塞磨损由于化学计量比混合物的高的燃烧温度导致。对于高BMEP发动机应用中的火花塞，在需要更换前仅持续800至1000小时不是不常见的。这可能导致发动机的意外停机，因此导致对于发动机运行者的增加的运行成本。

发明内容

在一些方面中，火花塞可生成高速火焰射流而带有低COV和长运行寿命，其益处可包括主室内的更快的燃烧，从而导致改进的NOx与燃料消耗（或效率）的折衷关系。

在一些方面中，预燃室火花塞包括金属壳体、连接到壳体的端盖、中心电极和接地电极。另外，预燃室火花塞包括布置在壳体内的绝缘体。在一些实施中，中心电极具有被绝缘体围绕的第一部分和从绝缘体延伸到预燃室内的第二部分。预燃室体积通过外壳和端盖限定。在一些实施例中，接地电极连接到壳体。在一些实施例中，接地电极包括间隔开地围绕中心电极的内环、连接到壳体的外环和多个将内环和外环连接的辐条。在一些应用中，接地电极具有矩形形状，所述形状用于保护通过中心电极和接地电极之间的间隙的引入的中心孔流动（主流动）不受到由于经过侧向孔（副孔）进入的流动导致的湍流的影响。管形空间也引导在外周处的接地电极后方的侧向孔流动以使其在离开间隙时结合火花核心。另外，中心电极具有空气动力学形状，这改进了从中心孔通过间隙的流动流线。

在另一个方面中，促进内燃机内的燃烧。空气/燃料混合物在预燃室火花塞的预燃室内被点燃。在一些实施中，在预燃室内点燃空气/燃料混合物包括提供第一口以允许第一量的空气/燃料混合物流入到中心电极和接地电极之间的间隙中，带有从预燃室的前室的主要向后的流动方向（更多的流动在此方向上，且在一定的情况中所有流动在此方向上），且包括在间隙内点燃空气/燃料混合物，其中该点燃产生了火焰核心。此外，火焰核心被传送到预燃室的后室，且第二口允许空气/燃料混合物的次要（侧向）量的流动进入前室中，使得次要量的空气/燃料混合物流到后室以被火焰核心点燃。次流动也可以具有涡旋，所述涡旋用于将所形成的火焰在后室中在方位方向上传播，使得方位均匀性得以改进且在预燃室内生成了进一步加速燃烧的湍流。第一量和第二量的空气/燃料混合物的点燃造成了预燃室内的压力升高，这导致从第一口和第二口发出火焰射流。口孔尺寸和角度可被控制（例如，在一些情况中被改进或优化），以最大化火焰射流速度和到主室内的穿透，因此促进了主室内的燃烧。孔尺寸控制流入和流出。孔尺寸可被控制（例如，在一些情况中被改进或优化），以实现希望的发动机特定的点燃延迟时间、射流速度和火焰射流穿透以及因此主室燃烧率。

在再另一个方面中，预燃室火花塞包括壳体和连接到壳体的端盖。另外，预燃室火花塞包括布置在壳体内的绝缘体。在一些实施中，中心电极具有被绝缘体围绕的第一部分和从绝缘体延伸到预燃室内的第二部分。预燃室通过壳体和端盖限定。在一些实施中，接地电极连接到壳体。在一些实施中，接地电极包括间隔开地围绕中心电极的内环和多个从内环径向向外突出的将内环保持就位的辐条。在一些实施中，每个辐条的端部连接到壳体。

在另一个方面中，制造了预燃室火花塞。接地电极连接到壳体。在一些实施中，接地电极包括管状电极。在一些实施中，管状电极具有与中心电极具有围绕关系而定位的内环。

在一些实施中，稀有金属（或贵金属）连接到中心电极且连接到代表了火花表面的接地电极。在制造和组装期间用间隙工具建立了中心电极和接地电极之间的间隙，使得间隙在制造和组装期间被精确地确定，因此降低了对于制造之后重新调整间隙的需求。在一些实施中，在接地电极最终连接到壳体之前将间隙工具插入在中心电极和接地电极之间。在一些实施中，此间隙被最好地维持，如果这是过程中的最终加热步骤。在一些实施中，在连接接地电极之后通过电子束（EB）、水束或其他合适的材料移除方法形成火花间隙，以形成精确的高公差间隙。理想的新火花间隙范围从0.15 mm至0.35 mm。

在一些实施中，管状接地电极与同心的中心电极的布置造成了通过间隙到接地电极的背侧的流动的条件，所述布置可在不要求火花塞的壳体的气缸盖设计中在预燃室中完成，其中气缸盖预燃室替代了火花塞壳体壁。另外，燃料可添加到预燃室火花塞或气缸盖装置中的预燃室，以进一步延长稀薄运行极限。这些称为“燃料供给”装置。

在另一个方面中，预燃室火花塞包括壳体、绝缘体、中心电极和接地电极。壳体包括多个通风孔。绝缘体布置在壳体内。中心电极被绝缘体围绕且延伸到被壳体限定的预燃室内。绝缘体同轴地围绕中心电极。接地电极连接到绝缘体且围绕中心电极的远端端部。接地电极包括间隔开地围绕中心电极的管状环，且具有径向偏移的周向延伸部，所述周向延伸部轴向延伸经过中心电极的远端端部从而形成用作空气动力学撞击（ram）区域的几何形状。

在另一个方面中，促进内燃机内的燃烧。空气/燃料混合物在预燃室火花塞的预燃室内点燃。空气/燃料混合物的点燃包括提供多个通风孔以允许空气/燃料混合物到预燃室的火花间隙内的主流动，以及点燃空气/燃料混合物，其中点燃事件产生了火焰核心。接下来，火焰核心被传送到预燃室的第一级内，其中预燃室的第一级通过布置在连接到与中心电极同轴的绝缘体的接地电极（和中心电极）之间的腔限定，所述腔通过造成再循环区而作为“火焰保持器”工作。在将火焰核心传送到第一级中之后，空气/燃料混合物的次流动从多个通风孔提供到预燃室，使得次流动遍布预燃室的第二级散布，所述第二级通过布置在连接到绝缘体的接地电极外侧的腔限定。最后，火焰核心从第一级行进到第二级，从而将空气/燃料混合物的次流动点燃，导致火焰遍布预燃室传播，将大量燃料在预燃室内点燃，造成大的压力升高且因此造成从多个通风孔发出的火焰射流。

在另一个方面中，预燃室火花塞包括壳体、绝缘体、中心电极和接地电极。绝缘体布置在壳体内。中心电极具有被绝缘体围绕的第一部分和从绝缘体延伸到被壳体限定的预燃室内的第二部分。接地电极连接到绝缘体且包括间隔开地围绕中心电极的内环从而形成火花间隙。

在一些方面中，激光束聚焦在间隙表面之间的位置处，取代电火花，来将AFR加热到点燃温度，且以光子取代电子造成火焰核心。一些实施包括导致激光束且将其聚焦在间隙区域内的装置。激光束点火的益处是对于气缸压力条件的敏感度少得多，而在压力升高时电火花要求更高的电压来实现击穿和火花。激光点火可实现在常规的电子点火系统的击穿电压极限以上的压力下的点火。

在方面1中，促进发动机运行中的燃烧的方法包括：从发动机的燃烧室接收空气/燃料混合物到火花塞的外壳内并将接收到的空气/燃料混合物在外壳内的火花间隙内点燃；将点燃的空气/燃料混合物以至少为进入外壳内的峰值流速的10%的峰值流速引导通过火花间隙而主要地离开外壳的燃烧室端部。将更多的点燃的空气/燃料混合物从外壳的燃烧室端部引导离开，且在一些情形中全部流动在此方向上引导开。

根据方面1的方面2，其中峰值流速为5米/秒或更大，且将残余气体从间隙清除。

根据方面1至2中任一项的方面3，其中火花间隙的高度H为2.5 mm或更大，且间隙内的峰值流速为V，且其中H/V*360*RPM小于或等于3度发动机的曲轴角度。

根据方面1至3中任一项的方面4，包括将空气/燃料混合物以涡旋流围绕外壳的内部引导且引导到外壳的与燃烧室端部相对的端部；且将在火花间隙内点燃的空气/燃料混合物从涡旋流屏蔽。

根据方面4的方面5，包括将离开火花间隙的点燃的空气/燃料混合物从涡旋流屏蔽。

根据方面1至5中任一项的方面6，其中火花塞为M14至M24尺寸的火花塞，且包括在火花间隙内点燃空气/燃料混合物之后，将由于空气/燃料混合物的燃烧导致的外壳中的最大压力延迟7度或更大的发动机的曲轴角度。

根据方面1至6中任一项的方面7，包括仅在点燃在与燃烧室端部相反的半个外壳内的基本上全部空气/燃料混合物之后将点燃的空气/燃料混合物从外壳内部喷射到发动机的燃烧室内。将更多的空气/燃料混合物点燃，且在一定的情形中将全部空气/燃料混合物点燃。

在方面8中，用于发动机的火花塞包括：在火花塞的外壳内的火花间隙；和在外壳的内部中的通道，在发动机运行期间所述通道从外壳外侧接收流动且引导该流动通过火花间隙主要地从外壳的燃烧室端部离开，火花塞适合于产生在火花间隙内的至少为进入外壳内的峰值流速的10%的峰值流速（即最大流速）。外壳的内部内的通道将流动从外壳的燃烧室端部引导离开。在一定的情形中，更多的流动在此方向上，且在一定的情况中所有流动在此方向上。

根据方面8的方面9，其中火花塞适合于在火花间隙内产生5米/秒或更大的峰值流速。

根据方面8至9中任一项的方面10，其中火花间隙具有高度H且间隙中的峰值流动速度为V，且其中火花塞适合于产生小于或等于3度发动机的曲轴角度的H/V*360*RPM。

根据方面10的方面11，其中火花塞为M14至M24且H为2.5 mm或更大。

根据方面8至11中任一项的方面12，其中火花塞为M14至M24尺寸的火花塞且通道向外壳的燃烧室端部延伸超过火花间隙的端部至少1.0 mm。

根据方面13的方面12，其中通道包括火花间隙且从外壳的燃烧室端部延伸离开超过火花间隙的相反端部至少0.1 mm。

根据方面12至13中任一项的方面14，包括：在外壳的燃烧室端部中的定向为将流动引导到通道内的孔；和在外壳的燃烧室端部中的定向为将流动围绕通道的外部引导且引导到与燃烧室端部相对的外壳的端部的孔。

根据方面8至14中任一项的方面15，其中火花塞为M14至M24的尺寸；且其中火花塞适合于在火花间隙中的火花之后的7度或更大的发动机曲轴角度中由于空气/燃料混合物的燃烧而达到外壳中的最大压力。

根据方面8至15中任一项的方面16，包括金属壳体；壳体内的电绝缘体；从绝缘体延伸的中心电极；和限定火花的一个或多个接地电极。

根据方面16的方面17，其中超过一个接地电极限定该通道且这些接地电极不相互接触。

根据方面16或17的方面18，其中一个或多个接地电极包括管，所述管限定该通道且包括从管离开外壳的燃烧室端部延伸到壳体的臂。

根据方面16至18中任一项的方面19，其中中心电极的轴向横截面为多边形。

根据方面19的方面20，其中一个或多个接地电极将通道限定为具有与中心电极相同的轴向横截面形状。

其他方面、目的和优点将从如下详细描述和附图中变得显见。

附图说明

本专利或申请文件包含至少一个彩色附图。带有彩色附图（或多个附图）的此专利或专利申请公开的拷贝在要求并付了必需的费用后将由专利局提供。

附图图示了本公开的数个方面。在各图中：

图1图示了示例的预燃室火花塞的一部分的横截面视图；

图2是示例的管状电极的透视图；

图3图示了第一和第二电极表面环的示例；

图4是示例的管状电极的俯视图；

图5是示例的管状电极的横截面视图，所述管状电极具有在基质材料上的第一电极表面环；

图6是示例的管状电极的透视图；

图7是预燃室火花塞的示例端盖的端视图；

图8是图7的示例端盖的横截面视图；

图9是示例的预燃室火花塞的一部分的横截面视图；

图10是带有尺寸标记的示例的预燃室火花塞组件的横截面视图；

图11a和图11b示出了带有方形和三角形电极的示例的预燃室火花塞组件；

图12示出了带有多个接地电极的示例的火花塞组件；

图13示出了带有在火花间隙上定心的速度控制管的示例的火花塞组件；

图14是示例的大缸径活塞气缸组件和示例的预燃室火花塞的横截面视图；

图15是另一个示例的预燃室火花塞的横截面视图；

图16是图15的示例的预燃室火花塞的横截面视图，图中图示了燃料流入到预燃室内；

图17是示例的预燃室火花塞的横截面视图，所述火花塞具有预燃室内的副燃料喷射器；

图18是带有点火器/火花塞的示例的组合气体进气阀的横截面视图；

图19是图18的示例的点火器/火花塞的放大的横截面视图；

图20是预燃室的缺口的放大的横截面视图；

图21是包括铜焊环的示例的预燃室火花塞的部分的横截面视图；

图22是布置在图21的预燃室火花塞内侧的示例的铜焊环的放大视图；

图23a和图23b是不带有速度控制管的预燃室火花塞组件的自顶向下的横截面视图；

图24是带有前速度控制管的图23a和图23b的预燃室火花塞组件的横截面视图；

图25是带有后速度控制管的图23a和图23b的预燃室火花塞组件的横截面视图；

图26是带有前和后速度控制管的图23a和图23b的预燃室火花塞组件的横截面视图；

图27a至图27c是来自计算流体动力学分析的输出，图中示出了无速度控制管的预燃室火花塞中的速度（图27a）、速度向量（图27b）和空气/燃料混合物分布（图27c）；

图28a至图28c是来自计算流体动力学分析的输出，图中示出了在与图27a至图27c相同的条件下的如在图10中构造的预燃室火花塞中的速度（图28a）、速度向量（图28b）和空气/燃料混合物分布（图28c）；和

图29是来自计算流体动力学分析的输出，图中示出了在与图28a和图28b不同的条件下在如在图10中构造的预燃室火花塞中的速度。

一个或多个实施的细节在附图和如下的描述中阐述。其他特征、目的和优点将从描述和附图且从权利要求显见。

具体实施方式

本文构思涉及预燃室火花塞。在一些情形中，火花塞的方面致力于与在燃烧过程期间提供可重复的且可控制的点燃延迟时间相关的挑战。在一些示例中，火花塞实现了更有效的燃烧过程和更长的寿命。预燃室火花塞例如可包括管状速度控制管，以控制火焰核心发展、点燃延迟时间、火焰射流演变、主燃烧室燃烧率，且可因此改进发动机性能。在一些示例中，延迟时间指在火花和当燃烧影响体积而足以使预燃室内的压力升高且又使主燃烧室内的压力升高时的那个时刻之间的时期。

图1图示了示例的预燃室火花塞100的一部分的横截面视图。预燃室火花塞100具有纵向轴线101和沿所述纵向轴线101延伸的中心电极102，且所述中心电极102进一步从绝缘体104延伸到被分为后室106和前室108的预燃室中。用作接地电极的管状电极110布置在壳体112内。虽然在图1中示出为连续的（不中断的）圆柱体，但管状电极110可具有其他的管状形状（例如，方管、三角形管或其他管），且在一定的情形中，可匹配中心电极102的轴向横截面。在一些实施中，壳体112由能够抵抗暴露于高温的高强度金属制成。壳体112造成了火花塞100的预燃室体积的一部分。壳体112连接到绝缘体104且保持了端盖116。端盖116限定了火花塞100的预燃室体积的末端且也限定了前室108的边界。端盖116可以是平的，可具有拱顶形状、圆锥的“V”形形状或另一个形状。在特定的情形中，端盖116可整体形成到壳体112中，这与如所示的作为连接到壳体112的分开件相反。管状电极110的盘部分114将后室106从前室108分开。如在图1中所示，在一些实施中，壳体112的内表面118可具有台阶部分120，使得在预燃室火花塞100组装期间管状电极110可落座在台阶部分120上。

图2是示例的管状电极110的透视图。管状电极110具有嵌入在管状接地电极110内的内环130和外环132。在图2的示例中，内环130和外环132通过三个辐条134连接。管状内环或速度控制管136从内环130在管状电极110的中心部分中延伸。如在图1中所图示，速度控制管136从盘部分114在一个方向上延伸离开到前室108中。中心开口138延伸通过内环130和速度控制管136。在另一个示例中，接地电极110具有另一种设计，例如形成了火花间隙的J形形状，使得带有管或壁的中心电极102的端部或侧壁被焊接或以另外的方式连接在前侧和/或后侧上，以形成速度控制管。

仍参考图2，示例的管状电极110可由铜合金、镍合金或一些其他的相对地高导电性的金属制成。在一些实施中，稀有金属连接到或沉积在内环130的内表面140上。稀有金属典型地使用在火花塞电极上以增加火花塞的寿命且改进性能。为此应用所选择的稀有金属具有高熔点、高导电性和增强的抗氧化性。在一些实施中，以例如铂或其合金、铑或其合金、钨或其合金、镍或其合金、铱或其合金制成的第一电极表面环142形成内环130的内表面140的内衬。在一些实施中，内环130的内表面140衬以铱铑合金或镍合金。再参考图1，具有与第一电极表面环142相同或类似的材料的第二电极表面环144连接到或沉积在中心电极102的外表面146上。表面材料构成中心电极102和/或管状电极110的整个结构体，或通过焊接、铜焊或其他合适的连接方法连接到结构材料。在接地电极的情况中，替代的火花表面材料可形成为管的形状，所述管压配合、铜焊或焊接到接地电极的结构体中。管状电极110可具有插入在管状电极110的基础结构的内径内侧的由不同材料制成的环。不同的材料可与管状电极110的基础材料不同，例如不同的材料是高度地耐腐蚀或抗氧化的。插入环的目的是通过仅将昂贵的耐腐蚀和抗氧化材料添加到火花表面来增加电极的耐腐蚀和抗氧化性。

又参考图2，示例的辐条134可以是方形边沿的辐条以容易地制造，或可以具有弯曲的轮廓，以提供对于流过辐条134之间的空间的气体的更低的阻力。用于管状电极110的支承结构可以是带有辐条或任何其他机构的实心“轮”类型，以与中心电极102同心地支承管状电极110。示例的支承机构包括固定到壳体112的侧壁、后壁或其他部分的的片或腿。在一些情形中，可存在更多或更少数量的将内环130和外环132连接的辐条。在一些情形中，管状电极110不具有由稀有金属制成的电极表面环。在一些示例中，整个管状电极110由例如镍合金的单一材料制成。

示例的管状电极110可以是铸造的或机加工为基本上单件（即，作为单件或作为小数量的件，例如3件或4件），但第一电极表面环可以是某种类型的稀有金属或类似的合适的金属制成的分开的环。也构思管状电极110可由粉末金属制成，其中粉末金属被烧结或注塑模制。也构思了将粉末金属熔融而非烧结的其他制造技术。在一些实施中，第一电极表面环142和第二电极表面环144例如由柱形或矩形棒材制成，所述棒材被切割到一定长度且形成为环。在一些实施中，第一电极表面环142和第二电极表面环144由平的片材制成，且使用冲头来从单个平的片制造多个电极表面环142、144。图3示出了第一电极表面环142和第二电极表面环144的示例，其中两个电极表面环在单次操作中被冲压，使得第一电极表面环142和第二电极表面环144通过三个片148连接。在一些实施中，第一电极表面环142和第二电极表面环144组装到管状电极110，片148就位以维持电极表面环142、144之间的正确的间隔。片148在第一电极表面环142连接到管状电极110之后且在第二电极表面环144连接到中心电极102之后被移除。环142也可以被切割为一个或多个半圆形部分以适应制造、组装、连接和/或热膨胀。

管状电极的另一个示例在图4中图示。在此示例中，内环130、外环132、辐条134和速度控制管136大体上与管状电极110相同（没有影响如所述的运行的变化）。然而，管状电极111包括通过三个片156连接到第一电极表面环142的第二电极表面环144。因此，第一电极表面环142和第二电极表面环144之间的正确的间隔也被维持直至组装完成。在组装之后，片156可机械地或通过电子束或水束或类似的方法被移除。然而，在一些实施中，片156可例如由具有比管状电极111或第二电极表面环144中的其他材料的熔点显著更低的熔点的材料制成。这允许在将管状电极111组装到预燃室火花塞100之后通过燃烧或熔融来移除片156，而不损坏管状电极111或预燃室火花塞100的其他部件。

存在数个可用以将第一电极表面环142连接到示例的管状电极110的方法。在一些实施中，管状电极110围绕第一电极表面环142铸造。在一些实施中，连接到金属环的内表面的带有稀有金属或类似的合适材料的层的分开的金属环被组装到管状电极110的内环130。

例如，电极表面环材料可使用物理或化学蒸汽沉积而沉积在粉末金属基质上。粉末金属基质可以是空心柱体且电极表面环材料可沉积在空心柱体的内表面上。柱体可被切片为多个第一电极表面环142。如果相同的材料沉积在更小的空心柱体的外侧，则可将其切片为多个第二电极表面环144。在以此方式制造时，第一电极表面环142可插入到管状电极110的中心开口内且焊接或铜焊在适当位置。图5示出了具有连接或沉积在例如镍合金或高度导电合金的基质材料143上的第一电极表面环142的管状电极110的横截面视图。在一些实施中，焊接是在一个点或数个选择的点上的点固焊，以允许由于不同材料的不同的热膨胀率导致的一些相对移动。使用以上所述的方法将稀有金属材料添加到管状电极110允许与在常规的预燃室火花塞中典型地使用的稀有金属相比以更少的稀有金属制造预燃室火花塞100，因此使得预燃室火花塞100的制造比许多常规的预燃室火花塞便宜。

在一些实施中，示例的管状电极110可由各单独的部件组装。图5也示出了管状电极110的横截面视图，所述管状电极110具有分开的盘部分114和速度控制管136。在一些实施中，速度控制管136在一端具有带凹槽部分152且带凹槽部分压配合到盘部分114中的环形接收部分154中。在一些实施中，环形接收部分154可向内压入到速度控制管136的带凹槽部分152中从而将所述速度控制管136保持就位。在一些实施中，带凹槽部分152包括围绕其圆周的环形突出部，所述环形突出部配合到管状电极110的环形接收部分154中的凹口中，以改进盘部分114和速度控制管136之间的连接。在一些实施中，带凹槽部分152连同环形接收部分154的内表面一起带有螺纹，使得速度控制管136可旋拧入盘部分114中。

又参考图1，在运行的一些示例的方面中，空气/燃料混合物从发动机的主气缸（未示出）通过端盖116中的中心孔162（也见图7和图8）且通过多个外周孔164（也见图7和图8）被抽吸到预燃室火花塞100的前室108内。中心孔162定向为将其流动引导在速度控制管136的内部且引导入速度控制管136的内部。因此，吸入的空气/燃料混合物通过中心孔162流过速度控制管136到达中心电极102和管状电极110之间的火花间隙，在其处所述空气/燃料混合物被电火花点燃。速度控制管136从中心孔162收集流动且导致管136内的流动停滞且造成了比围绕管136的外部的压力和在管状电极110的出口处的压力更高的压力。来自中心孔162的流动的速度与压力差一起造成了高速度的流动，所述流动被速度控制管136通过火花间隙朝着后室106引导。空气/燃料混合物的速度又导致初始火焰核心传播到后室106中。

在一些示例实施中，通过主中心孔的流动包括带有低水平的残余物的新鲜的空气/燃料进气。此主流动行进到火花间隙区域内，均匀地向后推动上次燃烧事件的残余物且将其推出火花间隙区域。此作用有效地将残余物清除出火花间隙，因此“控制”了预燃室内的残余物。在常规的预燃室火花塞中，残余气体未被良好地“控制”或根本未被“控制”，从而导致新鲜进气和剩余的残余物在点火时刻的未知的且不受控的混合。这代表了常规的预燃室火花塞内的喷射间的燃烧变动的关键原因。因此，该设计实施了残余气体控制的方式，这通过有效地将残余物向后清除（从端盖离开）来进行，且此控制可在一定的情形中导致格外低的变化系数（COV）。

在一些示例中，外周孔164定向为将涡旋运动引入到通过外周孔164吸入的空气/燃料混合物。涡旋的空气/燃料混合物向着后室106流过速度控制管136的外侧，在所述后室106处所述空气/燃料混合物被来自中心孔流动的火焰核心点燃。由于空气/燃料混合物的涡旋运动导致的湍流使得成长的火焰核心围绕后室106分布，从而主要地消耗了后室106内的燃料。例如，火焰核心可消耗后室106内的燃料的几乎全部的量。在一定的情形中，火焰核心消耗了后室106内的全部燃料。这导致更快的燃烧，且在空气/燃料混合物的燃烧从后室106前进到前室108时这导致更快的燃烧和在预燃室内部的压力的迅速升高。结果是空气/燃料混合物的更完全的燃烧，以及因此在预燃室内的升高的压力。这导致通过中心孔162且通过多个外周孔164到主燃烧室（未示出）内的高速的火焰射流。

以此方式，点燃可通过火焰核心到后室106的流动被延迟。在一些情形中，燃烧过程在后室106内开始且行进通过前室108，之后所得到的火焰投射到主燃烧室内。因为此增加的点燃延迟时间导致更完全的燃烧，所以过程更可重复且具有更少的变化，且因此实现了比典型的常规的预燃室火花塞中更低的COV。点燃延迟的另外的益处是当气缸压力低于无点燃延迟情况中的气缸压力时，火花可在燃烧循环中被更快地点燃。在气缸压力较低时初始化火花延长了预燃室火花塞100的寿命。预燃室火花塞100适合于在火花事件之后的7度或更大的发动机曲轴角度中由于在火花间隙内空气/燃料混合物的燃烧而达到最大外壳压力。

此外，在构造示例的预燃室火花塞时，管状电极110后方的后室106的体积和管状电极110前方的前室108的体积可被指定（例如，在一些情形中改进或优化）为控制火焰核心发展且因此控制点燃延迟时间。前室108与后室106的体积比控制了从中心孔162发出的火焰射流的尺寸和穿透。

图6是示例的管状电极180的透视图。管状电极180用作接地电极且类似于管状电极110，不同在于管状电极180不具有外环。管状电极180包括带有中心开口138的内环130。内环130轴向地延伸以形成速度控制管136。在图6中，三个辐条134从内环130的外部径向向外延伸。在一些实施中，通过将每个辐条134的端部182直接连接到壳体112将管状电极180组装到预燃室火花塞110。连接可通过焊接、铜焊等形成。

图7和图8分别示出了预燃室火花塞100的示例的端盖116的端视图和横截面视图。在一些实施中，端盖116具有盖形形状，使其略微从壳体112的端部突出。端盖116具有中心孔162，所述中心孔162在一些实施中在预燃室火花塞100的纵向轴线101上定心。中心孔162构造为控制空气/燃料混合物到前室108内的流速和在火花间隙内的速度。端盖116进一步包括多个外周孔164，所述外周孔164可被钻孔或形成在端盖116的侧壁166中或壳体112自身中。外周孔164构造为造成预燃室内的空气/燃料混合物的涡旋运动。在一些实施中，端盖116通过焊接、铜焊等连接到壳体112。端盖也可以是平的（垂直于壳体）或具有“V”形形状。壳体112和端盖116可以成形为使得端盖116是平的且插入深度的主要部分是由于壳体112的长度导致。壳体112和端盖116也可以成形为使得端盖116具有突出的形状（类似于拱顶或“V”形形状）且插入深度的一部分由于此端盖形状的长度导致。

图7和图8示出了在侧壁166内具有七个外周孔164和七个外周孔轴线168的示例的端盖116。为清晰起见，在图7中仅示出了一个外周孔轴线168。图7示出了端盖116的端视图，所述端盖116包括示例的用于外周孔164的涡旋角，且进一步包括预燃室火花塞100的纵向轴线101，如在一些情形中当端盖116组装到壳体112时其将被定位的那样。图8是端盖116的横截面视图，且图8示出了用于外周孔164的示例的穿透角。中心孔尺寸的范围可能地为从直径0.1 mm至2.0 mm，但也可以规定较大的孔尺寸。

示例的端盖116的其他实施可以具有多于或少于七个外周孔164。外周孔164是倾斜的，使得没有外周孔轴线168与纵向轴线101相交。如上所陈述，图7图示了用于外周孔164的涡旋角。如在图7中所示，涡旋角限定为外周孔轴线168和径向线169之间的角，所述径向线169从端盖116的中心伸出通过外周孔轴线168上的点，所述点处在由相应的外周孔164限定的气缸的端部之间的中途。

在图7和图8中所示的示例中，涡旋角为45度，但在其他示例中，所述角可大于或小于45度。图8图示了用于外周孔164的穿透角。如在图8中所示，穿透角限定为外周孔轴线168和纵向轴线101或平行于纵向轴线101的线171之间的角。在发动机运行期间，当空气/燃料混合物被引入到预燃室的前室108内时，外周孔164的倾斜的属性在预燃室内的空气/燃料混合物上产生了涡旋效果。外周孔164的精确的定位（即，在侧壁166上）和构造（例如，直径、角度）取决于预燃室内的希望的流场和空气/燃料分配。

图9是示例的预燃室火花塞200的横截面视图。预燃室火花塞200具有纵向轴线201。中心电极102沿纵向轴线201延伸且进一步从绝缘体104延伸到预燃室内，所述预燃室被划分为后室106和前室108。布置在壳体112内部的管状电极210用作接地电极。管状电极210的盘部分214将后室106与前室108分开。端盖116限定了预燃室火花塞200的端部且也限定了前室108的边界。在一些实施中，壳体112的内表面118可具有台阶部分120，使得管状电极210可在预燃室火花塞200组装期间落座在台阶部分120上。接地电极也可以构造为薄环，所述薄环通过在任何位置处连接在壳体上的腿悬起，所述位置包括靠近基部处，在所述基部处芯从壳体（112）延伸，或靠近壳体的尖端（108），或甚至从端盖自身（116）连接。可使用例如焊接、铜焊或激光焊接等的任何连接方法来连接管。

在运行中，示例的预燃室火花塞200的运行方式类似于以上对于示例的预燃室火花塞100所述的运行方式。然而，在图9中可见，管状内环或速度控制管236轴向地延伸到前室108内和后室106内。通过增加速度控制管236的长度，即增加延伸到后室106内的部分，可进一步增加点燃延迟时间。在此情况中，点燃延迟时间通过速度控制管236的延伸的后部分的长度控制，且通过速度控制管236的延伸的后部分内的流动速度控制。速度控制管236内的流动速度是通过中心孔162的质量流量的函数。由于延长的速度控制管236导致的增加的点燃延迟时间允许火花甚至比预燃室火花塞100的情况中更早地开始。当气缸压力较低时更早地开始火花延长了火花塞的寿命。这样的设计也使得可无需使用任何稀有金属来制造具有中心电极和接地电极的预燃室火花塞。这降低了材料成本且明显地简化了火花塞的制造和组装。但设计也可以容许将稀有金属或非稀有金属环插入接地电极内侧，所述环与接地电极体电接触且因此与壳体接触。环插入件可通过压配合、干涉配合、激光点固焊、激光焊接或铜焊而安装。该设计将环插入件保持就位，即使焊点将变软或简单地由于接地电极管的未受约束的部分相对于被辐条约束的部分的不同的热膨胀而导致焊点断裂。

图10示出了类似于图9的示例的预燃室火花塞组件的横截面视图。一些相关的尺寸在图10中标记为A至K。这些尺寸与M14至M24尺寸火花塞的预燃室火花塞相关（即其中壳体的螺纹部分是公制M14至M24螺纹的火花塞）。因此，例如壳体的外径略小于螺纹的根部直径。因此，后室106和前室108的总体积的范围可在1000 mm³至3000 mm³之间。

在所示的示例中，尺寸A是延伸经过中心电极102的火花表面从而形成通道的一部分的接地电极210的长度。在一定的情形中，尺寸A的最小长度为1.0 mm。延伸的接地电极210造成了速度控制管236，且因此尺寸A的特征可在于速度控制管236的长度。速度控制管236造成了停滞压力区，这使得空气/燃料混合物能够流动扫过火焰核心到后预燃室106内。在一定的情形中，中心电极102的端部和端盖116之间的间隙的范围可在1 mm至12 mm之间。尺寸B是接地电极210离开火花塞外壳的燃烧室端部的延伸长度。延伸长度与火花间隙一起形成了通道的一部分。在一定的情形中，尺寸B的长度至少为0.1 mm。

在所示的示例中，尺寸C和D限定了速度控制管236内的入口管凹槽的横截面积。在一定的情形中，尺寸C即凹槽的深度的范围为0.10 mm至0.70 mm。在一定的情形中，尺寸D即凹槽的长度的范围为0.1 mm至4.0 mm。入口管凹槽最小化了在低速运行和冷启动时的火焰核心熄灭效果。尺寸E限定了中心电极102内的火焰保持器凹槽的深度。在特定情形中，尺寸E的范围从0.10 mm至0.70 mm。火焰保持器凹槽允许更大的再循环且也降低了在火焰核心行进到后预燃室106时的熄灭效果。

示例的中心电极102可具有由尺寸F和G限定的圆形的前部。在所示的示例中，尺寸F是中心电极102的圆形尖端的曲率半径。圆形尖端实现了到火花间隙中的更对称的流动且降低了流动阻力。不带有弯曲的平的尖端更容易制造，且可使用在此处所述的实施中，但允许了更大的流动湍流且可以降低流动速度。因此，弯曲的尖端可使用在一些情形中。中心电极102的直径由尺寸G限定。在一些情形中，尺寸G的长度为3 mm。在一定的情形中，尺寸F的长度范围可选择为满足如下关系：G/F≤1。

在所示的示例中，火花间隙表面的长度由尺寸H限定。在一定的情形中，尺寸H的范围为2.50 mm至6.00 mm。在所示的示例中，火花间隙是中心电极102和接地电极236之间的距离，且通过尺寸J指示。在一些情况中，火花间隙距离不是沿火花间隙表面的长度的单个值。接地电极236可具有通过锥角K限定的锥形轮廓。在一定的情形中，锥角K可具有在0.10度和2.5度之间的范围。在所示的示例中，最小火花间隙距离在接地电极236的前部处，且最大火花间隙距离在接地电极236的后部处。

在一些示例中，在冷启动期间，火花将在靠近火花表面的前部处的最小间隙附近的区域内发生。在一定的情形中，当处于冷态时，尺寸J可具有在0.10 mm至0.20 mm的范围内的最小值。当火花塞已进入额定的热运行中时，火花间隙表面的前部将变得比火花间隙表面的后部热。火花间隙表面的前部的更大的热膨胀可导致火花间隙距离变得更均匀且沿火花表面的长度平行。在额定的热运行期间的火花间隙尺寸J的长度可为0.42 mm。带有平行表面的火花间隙可沿其整个长度形成火花且增加火焰核心生成。

接地电极和中心电极可每个具有柱形形状、多边形形状、不规则形状或某一其他形状。例如，图10示出了带有柱形中心电极102和柱形接地电极236的横截面。中心电极和接地电极可以是多边形的，例如在图11a和图11b中所示的示例的正方形和三角形形状。在电极的前部上的速度控制管可具有类似于电极形状的形状（例如，图11b的三角形形状），或具有与电极形状不同的形状。电极也可以具有不规则的形状或电极的一部分可具有不同的形状。例如，电极的内周可具有与同一电极的外周不同的形状。电极也可具有沿它们的轴向长度的可变的形状。电极可以是渐缩的，具有阶梯变化，或具有其他的尺寸改变。中心电极和接地电极也不需要具有相同的形状。例如，中心电极的火花表面和接地电极的相应表面可以匹配，且在中心电极前方的部分（即，速度控制管）可以具有不同的形状。

电极也可以具有不同的形状或包括不同的或多个部分、位置、定位或火花表面。例如，图12示出了示例的火花塞组件，所述火花塞组件带有围绕单个中心电极702的多个接地电极704a、704b。示例的接地电极704a、704b相邻但不相遇。多个接地电极704a、704b限定了通过火花间隙的流动通道。接地电极704a、704b可具有向前延伸的壁部分，这些壁部分一起形成了火花间隙前方的速度控制管。电极704a、704b也可以具有向后延伸的延伸部。在其他情形中，速度控制管可连接到接地电极704a、704b的面向前的表面或面向后的表面。

图13示出了示例的火花塞组件的前横截面。在此示例中，速度控制管806是在中心电极802和J形的接地电极804之间定心在火花间隙上的柱体。示例的速度控制管806可连接到接地电极804或中心电极802。在一定的情形中，管806可具有向下延伸超过间隙的侧面的部分。速度控制管可以是圆柱形的、多边形的或某一其他的形状。速度控制管不需要定心在中心电极上。

图14图示了示例的预燃室火花塞组件300的横截面视图。预燃室火花塞组件300包括在大缸径活塞气缸室302的气缸盖中的预燃室304。在预燃室304内，火花塞306适合于具有在大缸径活塞气缸302的气缸盖内的预燃室304的构造。

图15图示了图14的示例的预燃室火花塞组件300的预燃室304的放大横截面视图。预燃室304通过一系列通风孔324连接到发动机燃烧室302且由壳体334界定。通风孔324允许燃料和空气混合物进入预燃室304且允许火焰离开预燃室304进入气缸组件302内。虽然图15示出了三个通风孔，但可构思更多或更少的孔。另外，通风孔324（或在此处孔中的任何孔）可具有狭槽的形式或为其他形状的孔。

示例的预燃室304具有纵向轴线301，且中心电极310沿纵向轴线301轴向延伸到预燃室304内。围绕中心电极在中心电极310的远端端部处是接地电极308。接地电极308连接到绝缘体312，所述绝缘体312将中心电极310从接地电极308绝缘。在一定的情形中，中心电极310连接到电压源（未示出），通过绝缘体312的内部连接到壳体334，所述壳体334电力地接地。

接地电极308形成了围绕中心电极310的远端端部的圆形区域，从而形成了火花间隙314。此外，火花间隙314处在中心电极310的外表面和接地电极308的管状内环之间，所述接地电极308与中心电极间隔开地围绕中心电极310。绝缘体312围绕中心电极310从火花塞314上方轴向延伸直至预燃室304的顶部。绝缘体312作为速度控制管起作用。另外，在火花间隙314上方在绝缘体312内钻孔出两个侧向狭槽或孔318。侧向孔318起作用以在点燃事件之后将火焰核心通风。

在一些情况中，围绕中心电极310的且在绝缘体312内侧的区域称为预燃室304的第一级320。第一级320可起作用以将燃料限制到小的空间，使得通过点燃事件生成的火焰核心被保护且被控制，以不导致对于接地电极308和中心电极310的过度的损坏。虽然在绝缘体312内示出了两个侧向孔318，但可以使用更多或更少数量的侧向孔。

在一些情形中，绝缘体312外侧的且被壳体334界定的区域被称为预燃室304的第二级322。在所示的示例中，第二级322是火焰核心在从通风孔324离开而进入发动机燃烧室302（即气缸）内之前开始膨胀处。

另外，示例的接地电极308比中心电极310更远地延伸入预燃室304中。如在图15中所图示，示例的接地电极308包括轴向延伸经过中心电极310的远端端部的径向偏移的圆周延伸部，从而形成空气动力学鼻锥。空气动力学鼻锥的形状构造为促进空气/燃料混合物流动通过接地电极308和中心电极310之间的空间。鼻锥是空气动力学的鼻锥，因其设计为平滑地引导围绕接地电极308的前沿的流动（且最小化流动的分离）。在其他情形中，接地电极308的鼻锥可以是钝的。延伸部造成了空气动力学撞击区域316（即，速度控制管）。空气动力学撞击区域316起作用以在来自主气缸室302的蒸汽流流入到预燃室304时将其捕获。此被捕获的蒸汽是空气/燃料混合物，其在火花间隙314处被点燃。通过火花间隙314的蒸汽平行于火花间隙314流动且可具有5 m/sec或更大的速度范围，且在一些情形中具有50 m/s的速度。对于具有高度H的火花间隙和通过间隙V的流动速度，则关系式H/V*360*RPM可以小于或等于3度发动机曲轴角度。

附带提及地，在一些情形中，火花间隙314宽度可改变以影响火花塞的可使用寿命。例如，增加火花间隙的轴向长度增加了其处生成火花的表面积。因此，构成中心电极310和接地电极308的材料将需要更长的时间被腐蚀到火花塞自身需要被更新或更换的点。增加宽度的缺点是这使得第一级收缩且因此使燃料的初始点燃更困难。

图16图示了如何在示例的预燃室304内造成和管理燃烧的示例的流动物理学。最初，燃料和空气的混合物将通过通风孔324从气缸组件302流入到预燃室内。由于在相关联的发动机系统（未示出）的压缩行程期间发动机燃烧室302和预燃室304之间的压力差造成该流动。流动分别包括主流动328和次流动330。在主流动328和次流动330进入预燃室304时，主流动328和次流动330以新鲜的均匀分布的燃料将来自以前的点燃循环的残余燃料从火花间隙314和第二级322清除。次流动均匀地围绕预燃室304的第二级322散布。主流动328被空气动力学撞击区域316捕获。空气动力学撞击区域316收集了围绕火花间隙314的主流动。主流动328到火花间隙314内的速度在1米每秒至100米每秒之间。作为主流动328的一部分的燃料将围绕火花间隙314聚集，因此造成了空气动力学撞击区域316内的区域和第一级320之间的压力差，因此导致燃料流入到预燃室304的第一级320内。到火花间隙314内的流动也清除火花间隙314中的残余物，从而以主要地新鲜的进气替换了任何残余物。例如，残余物可被包括更多新鲜进气的混合物替代。在一定的情形中，混合物包括新鲜进气和残余物，且在一定的情形中混合物完全地由新鲜进气组成。在一定的实施例中，中心电极310的远端端部是平的，以便于主流动328到火花间隙314内。

另外，在一些情形中，燃料将流过侧向孔318。此流动主要是向后的且离开端盖。该流动中的更多在此方向上，且在一定的情形中所有流动在此方向上。侧向孔318倾斜地偏离，使得它们不垂直于中心轴线301。这可防止来自次流动330的空气/燃料混合物填充第一级320。因此，由于空气动力学撞击区域316导致的压力差不被侧向孔318干扰。通过侧向孔318的流动保持其进入速度的量值。这将压力维持为低于空气动力学撞击区域316内的流体的停滞压力。因此，造成了跨越火花间隙的压力差。

一旦在示例的火花间隙314内生成了火花，则火花间隙314内的燃料将点燃，因此造成了火焰核心332。由于压力差，火焰核心332行进到预燃室304的第一级320内，此处火焰核心332通过第一级320的相对小的尺寸保护不受外侧环境影响。第一级320用作火焰保持器。火焰核心向上移动到位于中心电极310中的凹槽332内。凹槽332然后将火焰核心引向接地电极308的面向后的台阶结构334。当主流动进入第一级320时，面向后的台阶造成了捕获在此位置的一些燃料的再循环区，这允许火焰核心略微膨胀同时也保护火焰核心不被进入火花间隙314的主流动熄灭。因此，凹槽332和面向后的台阶334形成了火焰保持器，所述火焰保持器保护火焰核心不受到更高速度的主流动328的影响。

另外，因为侧向孔318仅允许小量燃料进入第一级320，所以火焰核心332保持为小的。这将第一级320内部的温度保持为低温，且最小化了对于火花间隙314、接地电极308和中心电极310的损坏。

在所示的示例中，当火焰核心332消耗了第一级320内的燃料时，所述火焰核心332行进离开侧向孔318进入预燃室304的第二级322内。火焰核心322被次流动330携带且包裹围绕绝缘体312。在此点处，火焰核心332开始扩展且消耗第二级322内的燃料。火焰然后膨胀，大大地增加预燃室304内部的压力，且从通风孔324喷射出而进入发动机燃烧室302内，其处所述火焰点燃了发动机燃烧室302内的燃料。

控制火焰核心332围绕中心电极310的流动可增加预燃室火花塞组件300的可使用寿命。这是由于第一级围绕中心电极310且仅允许小的火焰核心332在其周围燃烧，这与具有暴露的而不受保护的火花间隙的一些传统系统相反。

图17图示了预燃室304内的示例的副燃料喷射器326。示例的副燃料喷射器326将燃料喷射到预燃室304内。另一个主燃料喷射器（未示出）将燃料喷射到主气缸室302内，所述燃料通过通风孔324行进到预燃室304内。副燃料喷射器326允许使用者将预燃室混合物加浓到超过由于主喷射将典型地出现的情况。

典型地，示例的气缸室302的燃料与空气比是化学计量比的，或换言之燃料和空气在燃烧前以对等的量存在于气缸室302内。因此，由于通过通风孔324的流动，在预燃室304内的燃料与空气比可以是化学计量比的或更小（更稀薄）。为使用副燃料喷射器326在预燃室304中提供合适的燃料富集的环境，所述副燃料喷射器326增加了燃料与空气比。典型地，所述增加将使得来自主燃烧室的稀薄混合物成为化学计量比的，或换言之不是非典型地在燃烧前当预燃室304内存在空气时将预燃室燃料加浓为超过主室燃料－空气比的两倍。通过加浓预燃室304，点燃过程可更热地进行。然而，更热地运行点燃过程可能降低中心电极310和接地电极308的可使用寿命。此示例可使得燃料供给（燃料加浓）的预燃室以最小加浓或不加浓而更稀薄地运行，因此造成了预燃室内的燃料－空气比更接近主室内的稀薄混合物且尽可能远离化学计量比的加浓。预燃室加浓的这种降低导致在火花表面中和火花表面周围的更低的燃烧温度，这导致火花塞的延长的寿命。

图18图示了与预燃室404的壳体416整体地形成的进气阀402，其与火花塞400组合。在图18中图示的特定的实施例中，存在三个分开的进气阀402a、402b和402c。进气阀402a、402b和402c从存储室430将燃料供给到预燃室404。如关于图17所论述，进气阀402允许使用者调整预燃室404内的燃料/空气混合物的浓度。此外，在一定的实施例中，包括绝缘体414、中心电极406和接地电极408的火花塞400是从进气阀402部分可移除的，使得便于火花塞400的快速更换。

图19图示了图18的预燃室404的放大视图。预燃室40通过带有通风孔412的端盖440连接到发动机的气缸（未示出）。类似于以上所述的实施，预燃室404包括中心电极406、接地电极408、通风孔412、绝缘体414和壳体416。空气动力学撞击部428也存在于此实施例中。此外，绝缘体包括侧向孔或狭槽418。类似于侧向孔318（见图15），狭槽418提供了从第一级420和第二级422的接近，所述第一级420通过形成在连接到绝缘体414的接地电极408和中心电极406之间的腔限定，而所述第二级422通过壳体416和连接到绝缘体414的接地电极408之间的腔限定。

在一些示例中，第一压力差由发动机系统的压缩行程导致，从而促使燃料/空气混合物通过通风孔412以1米每秒至100米每秒之间的速度进入预燃室404内且被向后引导且从端盖离开。在此混合物流入到预燃室404内时，所述混合物将围绕形成在中心电极406和接地电极408之间的火花间隙424集中。火花间隙424的相对小的宽度将促进形成预燃室404的第一级420和第二级422之间的第二压力差。因此，当火花在火花间隙424处生成时，第二压力差将由火花点燃燃料/空气混合物形成的火焰核心抽吸到第一级420中，所述第一级420具有用于减缓流动且造成再循环区的面积膨胀。该面积膨胀通过在火花表面积的出口处切割到中心电极中的凹槽造成。再循环区可将反应性微粒保持在在循环回路中且作为火焰保持器有效地起作用——防止被扫出火花间隙区域的火焰核心的吹熄。此火焰核心将在第一级内使燃料燃烧直至燃料通过狭槽418离开而进入第二级422内。在第二级中，火焰核心通过消耗预燃室404内的燃料成长为火焰。这大大地增加了预燃室404内的压力且导致火焰从通风孔412喷射。

从火花间隙区域移除火焰核心且使其进入火焰保持器内可降低火花表面的温度。降低火花表面的温度可降低火花塞寿命损失中的主要因素：在存在高温氧化环境时火花表面的高温氧化。因此，在火花已发生之后将高温火焰核心从火花间隙移除可延伸火花表面且因此延长火花塞寿命，从而降低火焰核心熄灭的可能性（或防止火焰核心熄灭）。

在一些情形中，中心孔或主孔流动的另一个作用是在火花前的引入阶段冷却管状接地电极和火花区，因为引入的新鲜进气具有比预燃室内的残余气体低的温度。这进一步延长了火花塞表面寿命但也降低了预燃室内的表面温度，从而将温度保持在新鲜进气的自燃温度以下。

类似于前述示例，通过控制核心火焰围绕中心电极406的流动，可大大地增加示例的火花塞400的可使用寿命。这是因为第一级围绕中心电极406且仅允许小的火焰核心围绕其燃烧，这与具有暴露的而不带有保护的火花间隙的一些传统系统相反。

在另一个示例中，在陶瓷绝缘体912的外表面和壳体934的内表面之间靠近壳体934和绝缘体912的基部或根部938处形成了狭窄空间936，如在图20中图示。狭窄空间936设计为促进从热的残余燃料/气体到较冷的壳体区域的传热，所述壳体区域在后部上通过与气缸盖（未图示）的螺纹的接合被冷却（可能被水冷或油冷）。狭窄空间936具有大的表面积与体积比，这促进了残余物的冷却且因此“熄灭”了残余气体的反应性。

在一个实施例中，狭窄空间936体积被设计为近似为预燃室904体积的1/5至1/10，使得如果预燃室904充满残余气体，则所述残余气体将被压缩到狭窄空间936内而占据不超过被发动机的压缩比所允许的空间（即，10:1压缩比发动机将在压缩期间将预燃室气体体积降低到1/10）。

另外的实施例可包括通过类似于对狭窄空间936中的壳体934“刻螺纹”的措施而增加狭窄空间区域的表面积，以进一步促进狭窄空间936的热移除能力以冷却残余气体。

关于制造方法，铜焊环可使用在接地电极上方或下方且在铜焊熔炉中被熔融以给出良好的传热。类似地，激光焊接器、摩擦焊接器等可用于将接地电极焊接到壳体。

图21是包括铜焊环的示例的预燃室火花塞的一部分的横截面视图，图22是来自图21的布置在预燃室火花塞内侧的铜焊环的放大视图。接地电极1010的外环1032包括角形切口1006，所述切口1006造成了用于在激光焊接前安放铜焊环1002的环形间隙1004。在图21中所示的示例中，在组装期间，接地电极1010压到壳体112内，使得接地电极1010落座在台阶部分120上。在接地电极1010落座在台阶部分120上之后，铜焊环1002被安放在环形间隙1004内。一旦铜焊环1002落座在环形间隙1004内，则在铜焊焊接过程中可利用激光焊接器将铜焊环1002熔融，因此允许熔融的铜焊环1002流入到环形间隙1004内，从而将接地电极1010附着到壳体112。这可造成接地电极1010和壳体112之间的强的结合，使得一旦两个体结合在一起则在两个体之间不造成热扭曲。也仅使铜焊环1002熔融，使得接地电极1010和壳体112在铜焊焊接过程之后不具有扭曲的形状。此外，角形切口1006不用必须为角形的。而是接地电极1010的切口部分可以具有适合于保持铜焊环1002的任何形状。例如，切口可以是锥形形状的或矩形形状的。另外，使铜焊环1002以熔融的状态流动到环形间隙1004内的过程可以通过使用助焊剂来辅助。助焊剂可施加到角形切口1006或壳体112，使得铜焊环1002当熔融时流向角形切口1006和壳体112，以填充环形间隙1004。用于铜焊过程的典型的助焊剂包括硼砂、硼酸盐、氟硼酸盐、氟化物和氯化物。顺便提及的是，过程不用必须利用铜焊焊接过程。而是接地电极1010可使用铜焊过程连接到壳体112。无论是在铜焊焊接还是铜焊过程中，铜焊环通常包括合金，例如铝硅合金、铜合金、铜锌合金、金银合金、镍合金和银合金。

另外，中心电极可由实心金属合金制成或通过将两个柱体焊接在一起制成，其中柱体的一个可以称为基础材料且另一个是稀有金属材料。一旦通过制造过程生成了合适的对齐，则稀有金属和基础金属可通过多种方法结合，例如电阻焊接、惯性焊接和/或激光焊接。

类似地，可造成稀有金属中空柱体，所述中空柱体套在直径已减小的基础材料中心电极上，从而可产生“销”外侧的柱体构形。稀有金属中空柱体通过保持盖保持就位，所述保持盖通过焊接或机械方式（例如螺纹）固定。

在此的构思可应用于预燃室火花塞的其他构造，且现有的构造也可适合于包括速度控制管。例如，图23a、图23b示出了带有端盖512但不带有速度控制管的火花塞500。图23a示出了火花塞500的视图，图中示出了端盖512的顶部。图23b示出了火花塞500的横截面视图。管状接地电极505从壳体503通过臂506a、506b支承。与连接到壳体503的侧壁不同，臂506a、506b向后延伸且连接到壳体503的后表面。接地电极506围绕中心电极502且与中心电极502通过火花间隙504分开。端盖512包围电极502和506。端盖512的顶部具有多个中心孔510a至510f和多个侧向孔508a、508b。

图24示出了火花塞500可如何根据在此的构思被修改以产生火花塞520的示例。示例的火花塞520大体上类似于（不带有影响如所述的运行的变化）图23中所示的火花塞500，但包括有前速度控制管514。速度控制管514可固定到接地电极506的前部、其臂506a、506b或例如环的任何支承结构。

图25示出了火花塞500可如何根据在此的构思被修改以产生火花塞530的示例。示例的火花塞530大体上类似于（不带有影响如所述的运行的变化）图23中所示的火花塞500，但包括有后速度控制管515。速度控制管515可固定到接地电极506的后部、其臂506a、506b或例如环的任何支承结构。

图26示出了火花塞500可如何根据在此的构思被修改以产生火花塞540的示例。示例的火花塞540大体上类似于（不带有影响如所述的运行的变化）图23中所示的火花塞500，但包括有前和后速度控制管514和515。速度控制管514、515可固定到接地电极506、其臂506a、506b或例如环的任何支承结构。

在如在图10中所构造的预燃室火花塞和具有相同的尺寸和构造但不具有速度控制管的预燃室火花塞上执行了计算流体动力学（CFD）分析。图27a示出了不具有速度控制管的火花塞的速度图，且图28a示出了如在图10中所构造的火花塞的速度图。两个图示出了突出到发动机的燃烧室内的火花塞的端部。箭头已叠加在图上以示出流动方向。图27b示出了不具有速度控制管的火花塞的速度向量图，且图28b示出了如在图10中所构造的火花塞的速度向量图。图28c示出了不具有速度控制管的火花塞的空气/燃料混合物分布图，且图28C示出了如在图10中所构造的火花塞的空气/燃料混合物分布图。

两个构造都是M18火花塞，其具有3.0 mm直径的火花表面（即形成火花间隙的相邻的表面），0.42 mm的最大火花间隙和相同构造的壳体112和端盖。壳体112外侧的流动条件被建模以代表在缸径155 mm、行程180 mm的在750转每分钟（RPM）下运行的发动机中在上止点前20度曲轴角度处的条件。图27a至图27c没有速度控制管且具有典型的环接地电极505，所述环接地电极505不向前延伸超过火花表面或中心电极502的端部或火花表面的后部。接地电极505的轴向尺寸为1.25 mm，且因此形成了1.25 mm长的火花表面。图28a至图28c具有带有速度控制管236的接地电极，所述速度控制管236朝着火花塞的燃烧室端部延伸超过中心电极102的端部。管236围绕且包围中心电极102，且也向火花表面后方延伸。速度控制管236的超过中心电极102的端部的延伸长度通过常规的流体分析来选择，以产生如下论述的速度。速度控制管236的向火花表面后方的延伸长度通过常规的流体分析来选择，以屏蔽离开火花间隙的流动不受预燃室内的湍流的影响。图28a至图28c的火花表面在中心电极102的球面电极头的基部处开始且向后延伸到直径台阶且为3.5 mm长。

如从速度图－图27a、图28a－中可见，从燃烧室通过中心孔162引入的新鲜空气/燃料混合物的峰值速度在两个情形中是几乎相同的——在图27a中为64 m/s且在图28a中为54 m/s。然而，在图27a、图27b中，引入流动冲击在中心电极502的端部上，主要地被侧向向外引导，然后最终围绕接地电极505的外部环绕到预燃室的后部。如此，更多的流动在此方向上，且在一定的情形中全部流动在此方向上。在中心电极502的端部处的停滞区导致了高压力，所述高压力进一步趋向于将引入流动侧向向外驱动。在接地电极505前方的高速度又造成了低压区，所述低压区从预燃室后部拉动流动通过火花间隙。虽然在火花表面的中点处的峰值速度为8 m/s，但流动从后向前行进。在发动机运行期间，残余气体（已燃烧的空气/燃料混合物）趋向于收集在预燃室的后部中。因此，此循环为火花间隙供给以残余气体的从后向前的流动。参考图27c确认了此情况，图中示出最高拉姆达（λ）值（即最稀薄空气/燃料混合物）在预燃室中的后部，也在火花间隙的后面和火花间隙中。

作为对比，在图28a、图28b中，引入流动冲击在中心电极102的端部上，且虽然最初被侧向引导，但流动被速度控制管236的壁捕获且被向后引导到火花间隙内。在中心电极102的端部处的停滞区导致高压力，所述高压力进一步趋向于驱动流动到速度控制管内且向后。速度控制管236的延伸长度被选择以实现此流动形式。在火花表面的中点处的峰值速度为44 m/s。此外，此流动是直接从燃烧室通过中心孔162接收的新鲜空气/燃料混合物的流动。参考图28c确认了此情况，图中示出了中心孔162和速度控制管236内部之间的且到火花间隙内的最低拉姆达值（即，最浓的空燃比）。因此，此循环为火花间隙供给以从前到后的新鲜空气/燃料混合物的流动。新鲜空气/燃料混合物维持足够的速度以流过整个火花表面且流到预燃室的后部，从而将可能在火花间隙内的（例如来自先前的燃烧循环的）任何残余物扫除，且为预燃室的后部区域供给燃料。当火花塞发火时，通过电火花产生的火焰核心迅速地移动通过火花间隙且移动到预燃室的后部部分中，以降低核心在火花表面上熄灭的趋势。在一定的情形中，火焰核心移动通过火花间隙的速度允许比以通过间隙的零或低流动速度所实现的更大的火花表面而不熄灭核心。总而言之，更大的火花表面改进了火花塞的寿命，因为存在其上生成电火花的更大的面积，且生成火花的材料损耗更少。

虽然在图28a至图28c的示例中，在火花表面的中点处的峰值速度为中心孔162内的引入流动的峰值速度的81%，但此处的构思以小到峰值速度的10%且大到峰值速度的100%工作。图29示出了在相同的条件下但在1500 RPM下运行的带有图28a至图28c的预燃室火花塞的另一个示例。在此示例中，从燃烧室通过中心孔162的引入的新鲜空气/燃料混合物的峰值速度为55 m/s。火花表面的中点处的峰值速度为27 m/s。因此，火花表面的中点处的峰值速度为中心孔162中的引入流动的峰值速度的49%。如上所述，明显地，火花间隙被供给以从前到后的新鲜的空气/燃料的流动以用于燃烧，且速度持续通过整个火花表面且到预燃室的后部。在整个说明书中所描述的实施（除图23外）可产生类似的流动形式和性能。

虽然此说明书包含许多细节，但这些细节不应解释为对本发明可能被要求的范围限制，而是作为对于特定示例的具体特征的描述。在此说明书中描述的一定的特征在各单独的实施的上下文中也可组合。相反地，在单个实施的上下文中描述的多种特征也可分开地实施在多个实施中，或以任何合适的子组合实施。

已描述了多种示例。然而，将理解的是可进行多种修改。相应地，其他的实施也在如下的权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种促进发动机运行中的燃烧的方法，包括：

从发动机的燃烧室接收空气/燃料混合物到火花塞的外壳内；

将接收的空气/燃料混合物在外壳内的火花间隙中点燃；

将点燃的空气/燃料混合物以至少为进入外壳内的峰值流动速度的10%的峰值流动速度引导通过火花间隙而主要地离开外壳的燃烧室端部；

使被点燃和引导的空气/燃料混合物移动进入第一级，其产生再循环区。

2.根据权利要求1所述的方法，其中峰值流动速度为5米/秒或更大，且将残余气体从间隙清除。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中火花间隙的高度H为2.5 mm或更大，且间隙内的峰值流动速度为V，且其中H/V*360*RPM小于或等于3度发动机的曲轴角度。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，包括：

将空气/燃料混合物以涡旋流围绕外壳的内部引导且引导到外壳的与燃烧室端部相对的端部；和

将在火花间隙中点燃的空气/燃料混合物在第一级中从涡旋流屏蔽。

5.根据权利要求4所述的方法，包括在第一级中离开火花间隙的点燃的空气/燃料混合物移动到围绕外壳的内部之后，消耗涡旋流中的燃料。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中火花塞为M14至M24尺寸，且包括在点燃火花间隙中的空气/燃料混合物之后将由于空气/燃料混合物的燃烧导致的外壳中的最大压力延迟7度或更大的发动机的曲轴角度。

7.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，包括仅在点燃处于外壳的与燃烧室端部相对的半个内的基本上全部空气/燃料混合物之后将点燃的空气/燃料混合物从外壳内部喷射到发动机的燃烧室内。

8.一种用于发动机的火花塞，包括：

在火花塞的外壳内的火花间隙；和

在外壳的内部中的通道，在发动机运行期间所述通道从外壳外侧接收流动且引导该流动通过火花间隙主要地从外壳的燃烧室端部离开，

其特征在于，火花塞包括一个或多个接地电极，带有速度控制管，所述速度控制管朝向火花塞的燃烧室端部延伸超过中心电极的端部，用于产生在火花间隙内的至少为进入外壳内的峰值流动速度的10%的峰值流动速度的装置；

其中在火花间隙的下游提供第一级，在火花间隙中点燃的流进入第一级并且第一级产生再循环区。

9.根据权利要求8所述的火花塞，其中火花塞适合于在火花间隙内产生5米/秒或更大的峰值流动速度。

10.根据权利要求8至9中任一项所述的火花塞，其中火花间隙具有高度H且间隙中的峰值流动速度为V，且其中火花塞适合于产生小于或等于3度发动机的曲轴角度的H/V*360*RPM。

11.根据权利要求10所述的火花塞，其中火花塞为M14至M24且H为2.5 mm或更大。

12.根据权利要求8至9中任一项所述的火花塞，其中火花塞为M14至M24尺寸的火花塞且所述通道向外壳的燃烧室端部延伸超过火花间隙的端部至少1.0 mm。

13.根据权利要求12所述的火花塞，其中所述通道包括火花间隙且从外壳的燃烧室端部延伸离开超过火花间隙的相反端部至少0.1 mm。

14.根据权利要求12所述的火花塞，包括：

在外壳的燃烧室端部中的定向为将流动引导到通道内的孔；和

在外壳的燃烧室端部中的定向为将流动围绕通道的外部引导且引导到与燃烧室端部相对的外壳的端部的孔。

15.根据权利要求8至9中任一项所述的火花塞，其中火花塞为M14至M24的尺寸；和

其中火花塞适合于在火花间隙中的火花之后的7度或更大的发动机曲轴角度中由于空气/燃料混合物的燃烧而达到外壳中的最大压力。

16.根据权利要求8至9中任一项所述的火花塞，包括：

金属壳体；

壳体内的电绝缘体；

从绝缘体延伸的中心电极；和

与中心电极一起限定火花间隙的一个或多个接地电极，一个或多个接地电极限定所述通道。

17.根据权利要求16所述的火花塞，其中超过一个接地电极限定所述通道且这些接地电极不相接触。

18.根据权利要求16所述的火花塞，其中一个或多个接地电极包括管，所述管限定所述通道且包括从管离开外壳的燃烧室端部延伸到壳体的臂。

19.根据权利要求16所述的火花塞，其中中心电极的轴向横截面为多边形。

20.根据权利要求19所述的火花塞，其中一个或多个接地电极将通道限定为在轴向横截面中具有与中心电极相同的形状。

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