CN107005030B

CN107005030B - 火花塞

Info

Publication number: CN107005030B
Application number: CN201580067000.6A
Authority: CN
Inventors: P·P·克吕格; B·维瑟
Original assignee: NORTHWEST UNIVERSITY
Current assignee: NORTHWEST UNIVERSITY
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2015-10-28
Publication date: 2020-01-21
Anticipated expiration: 2035-10-28
Also published as: AU2015338759B2; MY191320A; RU2017118094A3; BR112017008937A2; US20170324222A1; AU2015338759A1; US9899803B2; CN107005030A; JP6738806B2; KR20170101900A; RU2696718C2; WO2016067209A1; RU2017118094A; JP2017534149A; EP3213379A1

Abstract

火花塞10包括电绝缘材料的细长柱形本体12，该细长柱形本体有第一端12.1、与该第一端相对的第二端12.2以及在第一端处的第一面14。具有第一端16.1和第二端16.2的第一细长电极16在本体中纵向延伸。第一电极在其第一端处终止于沿朝向本体的第二端的方向离本体的第一端为第一距离d1处。因此，本体确定了在第一电极的第一端和本体的第一端之间延伸的盲孔18。第二电极提供于本体的外表面上，并终止于以下一个：a)与本体的第一面14平齐；以及b)沿朝向本体的第二端的方向离本体的第一端为第二距离d2处。

Description

火花塞

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的火花塞。

背景技术

为了改善汽油内燃机的排放，发动机可以利用废气再循环(EGR)或贫空气-燃料混合物来操作。不过，当使用已知的火花塞和点火系统时，燃烧稳定性可能在这些条件下变得不可接受。一个原因是通常较小体积的气体横过已知火花塞的火花隙(典型为0.8mm)点火。

已经表明，通过使用更大间隙的电晕点火系统，可以通过点燃更大体积的气体而提高燃烧稳定性。不过，这种系统需要更高的电压，这通常有问题。例如，更高电压可能导致火花塞的陶瓷体击穿、火花塞中的回弧等。一些已知的电晕系统包括延伸至燃烧室中的尖锐电极，用于点燃更大体积的气体。不过，这些电极在某些条件下可能变得太热，这可能导致在不合适的时间燃烧。而且，由于高电压(通常为大约100kV)和相关的热量，电极的磨损成为问题。

而且，火花也可能在电晕系统中产生，导致尖锐电极损坏。在普通的电晕系统中，必须尽可能地防止火花，以便减小电极磨损，且当产生火花时，它必须控制成实现良好的燃烧(例如参见美国专利8578902和8726871)。当电极磨损时，它将变钝，并需要更高的电压来实现电晕。

发明目的

因此，本发明的目的是提供一种火花塞，申请人相信，通过该火花塞可以至少减轻上述缺点，或者该火花塞可以提供用于已知火花塞和系统的有利替代方案。

发明内容

根据本发明，提供了一种火花塞，它包括：

-电绝缘材料的细长柱形本体，该细长柱形本体有第一端，与该第一端相对的第二端以及在该第一端处的第一面；

-第一细长电极，该第一细长电极在本体中纵向延伸，第一电极具有第一端和第二端，第一电极在其第一端处终止于沿朝向本体的第二端的方向离本体的第一端为第一距离d1处；

-本体确定了在第一电极的第一端和本体的第一端之间的盲孔；以及

-第二电极，该第二电极提供在本体的外表面上，该第二电极终止于以下一个：a)与本体的第一面平齐；以及b)沿朝向本体的第二端的方向离本体的第一端为第二距离d2处。

本体可以有圆形横截面，且第一电极可以在本体中轴向延伸。

第一电极的横截面可以朝向它的第一端减小，以使得第一电极在它的尖端处终止于盲孔中。

第二电极可以成用于本体的套筒或护套的形式。第二电极可以从朝向本体第二端的区域朝向本体的第一端延伸，通常从本体的第二端延伸。

本体的第一面可以确定进入第一面内的空心构形，例如凹陷、凹坑、槽等。

本发明还扩展至一种点火系统，该点火系统包括如上所述的火花塞和用于该火花塞的驱动电路。

在本发明的范围内还包括一种点燃气体物质的方法，如本文中限定和/或所述。

更具体地说，这里提供了一种点燃腔室中的气体物质的方法，该方法包括：

-利用火花塞，该火花塞包括：电绝缘材料的本体；第一电极，该第一电极局部穿过本体延伸，以便在第一电极的尖端处与本体一起确定了在该本体中的盲孔，该盲孔通过在本体中的嘴部而与腔室气流连通；以及第二电极，该第二电极在本体的外表面上；

-驱动第一电极，以便在尖端处预置电晕，以使得盲孔中的电晕等离子体朝向嘴部延伸，并将等离子体喷射到腔室中；以及

-控制电晕等离子体，以便形成以下一个：a)火花从第一电极的尖端沿着由气体物质包围的通路穿过腔室延伸至第二电极；以及b)电晕等离子体从第一电极的尖端沿着由气体物质包围的通路延伸至腔室内。

附图说明

下面将仅参考附图通过实例进一步介绍本发明，附图中：

图1是穿过火花塞的第一示例实施例的示意剖视图；以及

图2是火花塞的第二示例实施例的类似视图。

具体实施方式

火花塞的第一和第二示例实施例分别在图1和图2中由附图标记10.1和10.2表示。

火花塞包括电绝缘材料的细长柱形本体12，该细长柱形本体12有第一端12.1和与该第一端相对的第二端12.2。第一面14提供于第一端处。第一细长电极16在本体12中纵向延伸。第一电极16具有第一端16.1和第二端16.2。第一电极在其第一端16.1处终止于沿朝向本体的第二端12.2的方向离本体的第一端12.1为第一距离d1处。因此，本体确定了在第一电极的第一端16.1和本体第一端12.1处的嘴部19之间延伸的盲孔18。第二电极20提供于本体12的外表面上，该第二电极终止于以下一个：a)与本体的第一面14平齐(如图1所示)；以及b)沿朝向本体的第二端12.2的方向离本体的第一端12.1为第二距离d2处(如图2所示)。

本体12优选为圆形横截面，并可以由合适的陶瓷材料制成。

在示例实施例中，第二电极20成用于本体12的套筒或护套的形式，从本体的第二端朝向本体的第一端延伸，且在使用中可以接地或者与地电势连接。

第一电极16可以有朝向其第二端16.2和在其长度的主要部分上的第一横截面面积，且该第一横截面面积可朝向电极的第一端减小，以使得第一电极在尖端16.1处终止于孔18的盲端，该尖端16.1具有比第一横截面面积更小的横截面面积。第一电极可以有圆形横截面，具有足够大直径(大约1mm)，这样，当第一电极16延伸穿过接地的第二电极20时，在第一电极16和本体12之间的界面处的电场低于陶瓷本体的击穿电场。在孔18的盲端处的尖端16.1可以有小于0.5mm的直径，以便在孔18中产生足够大的电场。

在图1的示例实施例中，第二电极20终止为与第一面14平齐。由于后面所述的原因，火花塞的第一实施例可以称为火花塞。

在图2的示例实施例中，第二电极20终止于沿朝向第二端12.2的方向离第一端12.1为距离d2处。也由于后面所述的原因，火花塞的第二实施例也可以称为电晕塞。

在使用中，火花塞10.1的电极与合适的驱动电路(未示出)连接，且火花塞延伸至内燃机(也未示出)的气缸(也未示出)的腔室22中。气体物质充满腔室，并延伸至盲孔18中。驱动电路首先在尖端16.1处产生电晕，该电晕加热盲孔中的气体物质。然后，盲孔中的气体物质和电晕都被喷射至燃烧室22中，从而产生较长的等离子体24，该等离子体24用于点燃腔室中的气体物质。等离子体长度l可以为大约10mm。

盲孔18的体积必须足够小，以使得其中的气体物质的温度和压力可以通过大约1mJ的能量充分提高。例如，使用d1＝1mm和直径为0.5mm的孔将使得体积V＝0.2mm³。当陶瓷中没有热量损失时，则300K、20bar、V＝0.2mm³的空气将通过1mJ的能量而升高至大约650K的温度和大约40bar的压力。

在接地的第二电极20延伸成与第一面14平齐的第一实施例中，喷射的电晕倾向于朝向第二电极20生长，从而形成火花。这种火花比已知的火花塞和火花点火系统中的火花长得多，参考本说明书的引言部分。

在接地的第二电极20终止于离本体12的第一端12.1为距离d2处的第二实施例10.2中，电晕24倾向于离开火花塞10.2生长，且不形成火花放电。第一面14可以确定凹陷26、槽和其它构造，以便帮助电晕远离火花塞生长。

为了实现电晕喷射，必须以足够高的频率在足够高的电压下驱动第一电极足够长的时间。电压必须足够高，以使得电晕在盲孔18内在第一电极的尖端16.1处形成并朝向嘴部生长。靠近电极尖端16.1的陶瓷有助于在该尖端处产生足够高的电场强度，从而能够在大约30kV下开始电晕，这比已知电晕系统的上述大约100kV低得多。

一旦电晕形成，就必须将能量传递给气体物质，以便加热气体。电晕可能看作电阻和电容负载。因此，必须提供足够高的电压，以便将足够的能量传递给该负载。提供电压的频率必须足够高(>1MHz)，以使得气体能够在喷射至燃烧室内之前充分加热。它还必须足够高，以使得电晕不沿着陶瓷本体12的第一面14。在5MHz时，电子将在每个循环中行进1mm，这与盲孔18的深度d1的级数相同，比从第一电极至任何接地金属(包括第二电极)的距离短得多。

能量必须供给火花塞足够长的时间(通常>100us)，以便加热在孔内部的等离子体，然后在等离子体喷射至燃烧室内之后进一步加热该等离子体。

因此，本发明的一个方面涉及一种驱动火花塞10.1、10.2(该火花塞10.1、10.2有在孔18内部的电极16.1)的方法，以便在燃烧室中产生长于5mm的电晕或火花，其中，电晕或火花等离子体由气体物质包围，且不由任何电极遮蔽。也没有延伸至燃烧室内的、可能成为热点的电极。

用于驱动火花塞的驱动电路及其相关方法在本申请人的共同待审的国际专利申请“内燃机的点火系统和驱动点火系统的火花塞的方法”中确定和介绍，该文献的内容被本文参引。

所产生的、进行点火的更大体积气体可以提高在高EGR和稀混合物情况下的燃烧稳定性。相信本发明可以用于提高燃烧稳定性，并可以帮助发动机制造商满足强制排放标准。

Claims

1.一种火花塞(10.1、10.2)，包括：

-电绝缘材料的细长柱形本体(12)，该细长柱形本体有第一端(12.1)、与该第一端相对的第二端(12.2)以及在该第一端处的第一面(14)；

-细长的第一电极(16)，该第一电极在本体中纵向延伸，第一电极具有第一端(16.1)和第二端(16.2)，第一电极在其第一端(16.1)处终止于沿朝向本体的第二端(12.2)的方向离本体的第一端(12.1)为第一距离d1处；

-本体的内侧壁确定了一个孔(18)，该内侧壁从本体的第一端(12.1)处的嘴部(19)延伸且延伸到第一电极(16)的第一端(16.1)外，本体的第一端轴向朝向本体的第二端(12.2)，第一电极的第一端(16.1)完全位于该孔(18)内，该孔沿着孔的延伸方向具有恒定的直径，该内侧壁和第一电极的第一端(16.1)一起形成一盲孔，该盲孔具有恒定的直径，该盲孔从嘴部(19)延伸且在第一电极的第一端(16.1)处终止；以及

-第二电极(20)，该第二电极提供在本体的外表面上，该第二电极终止于以下位置中的一个：a)与本体的第一面平齐处，以便形成火花塞，该火花塞在使用时在第一电极的第一端和第二电极之间形成火花；或b)沿朝向本体的第二端的方向离本体的第一端为第二距离d2处，以便形成电晕塞，该电晕塞在使用时产生电晕，该电晕从第一电极的第一端生长。

2.根据权利要求1所述的火花塞，其中：本体有圆形横截面，且第一电极和盲孔对中心地和轴向地在本体中延伸。

3.根据权利要求1或2所述的火花塞，其中：第一电极包括朝向第一电极的第二端(12.2)的第一部分，该第一部分具有第一横截面，该第一横截面朝向第一电极的第一端(16.1)减小，第一电极终止于第一电极的第一端(16.1)的尖端中，该尖端具有第二横截面，该第二横截面小于第一横截面。

4.根据权利要求3所述的火花塞，其中：第一横截面和第二横截面为圆形。

5.根据权利要求1或2所述的火花塞，其中：第二电极成用于本体的套筒或护套的形式。

6.根据权利要求1或2所述的火花塞，其中：本体的第一面确定凹陷。

7.根据权利要求1或2所述的火花塞，其中：本体的第一面确定凹坑。

8.根据权利要求1或2所述的火花塞，其中：本体的第一面确定槽。

9.一种点火系统，包括：根据权利要求1至8中任意一项所述的火花塞；以及用于该火花塞的驱动电路。

10.一种点燃腔室中的气体物质的方法，该方法包括：

-利用如权利要求1-8之一所述的火花塞；

-驱动第一电极，以便在尖端处预置电晕，以使得盲孔中的电晕等离子体朝向嘴部延伸，并将电晕等离子体喷射到腔室中；以及

-a)该火花塞的第二电极终止于与所述第一面平齐处，控制所述电晕等离子体以形成火花，火花从所述第一电极的所述第一端沿着由气体物质包围的通路穿过所述腔室延伸至所述第二电极；或

-b)火花塞的第二电极在朝向本体的第二端的方向上终止于距离本体的第一端第二距离d2处，控制电晕等离子体从第一电极的第一端沿着由气体物质包围的通路延伸至腔室内。