CN1125495A - 带有表面放电火花隙的火花塞 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种例如用于内燃机的火花塞(10)，它包括至少一个中心电极11(高压电极)和至少一个外壳电极(12)，以及一个绝缘的火花塞绝缘子(13)和一个处于中心电极(11)和外壳电极(12)之间的表面放电火花隙(14)。上述表面放电火花隙(14)具有由彼此绝缘的导电材料(16)构成的岛状物图形，这些图形处于火花塞绝缘子(13)的上表面区或处于火花塞(10)的绝缘材料(17)的上表面区。
Description
本发明涉及一种如WO87/07094中所公开的独立权利要求所描述的那种火花塞。
与只带有气体火花隙的火花塞相比，在具有相同的电极距的情况下，带有表面放电火花隙的火花塞的点火电压明显较小。但其缺点是高击穿放电将在火花塞的陶瓷滑槽的区域内引起高温。所以，用于生产火花塞的材料被限制为耐高温材料(如Al2O3)、高熔点材料及合金。
为了开始点火，应能简便地形成火花，而且要增加火花与待点火气体的接触。火花塞的效率与系数Eab/Ezu有关，此系数为供给待点火的混合物的能量与供给火花塞的能量之比。如果只有少量的热能从火花的能量中经粗实的、冷的及导热性能良好的电极流失，那么火花塞的效率是高的。由于电极之间间距很小，这就减小了火花与可燃混合气的接触表面，现有的解决方案中火花火焰心的大接触表面与导热性能良好的电极具有比例关系。
本发明的任务是要提高火花塞的效率，在对高压上限进行限制的情况下可实现火花塞的电极距最大，或者在电极距已知的情况下使点火电压最低。
该任务可由具有独立权利要求所描述的特征的火花塞完成。借助于在火花塞绝缘子的上表面区加工出的一些彼此绝缘的导电岛状物图形以及在岛状物之间形成的间隙，在供给的点火电压相同的情况下可加大表面放电火花隙，从而可使电极距加大，并可缩小火花基点或者火焰心基点处的散热装置。通过在表面放电火花隙的包络线上由导电岛状物的间隙形成的火花的交叠可加大火花心与未燃烧混合物的接触表面。
借助于在从属权利要求中所描述的一些措施可以对独立权利要求中所描述的火花塞作进一步的有益的改造和改进。
通过在绝缘子上例如在绝缘的小陶瓷片上形成导电岛状物可构成表面放电火花隙，上述小陶瓷片被涂敷在火花塞绝缘子上。可以采用各种陶瓷制造火花塞绝缘子和小陶瓷片。此外，分开加工导电岛状物是主要的，也可以通过中间层增加岛状物在绝缘子上的附着作用。岛状物的尺寸设计成使其直径为20μm(微米)至500μm则可以不采用费用昂贵的加工工艺，考虑到应防止岛状物熔融，岛状物应具有确定的最小热容。岛状物的几何形状应设计成在电弧相或辉光相期间通过火花使岛状物急剧加热但又不至于变软或熔融，而且点火火花的能量几乎能全部传给燃料混合物。岛状物的层厚或者高度可以为10至1000μm，优选20至500μm。用于点火的最佳电极距为3至4mm。通过对间隙进行选择可以毫无困难地对两种导电岛状物之间的点火电压Ui进行调节。
借助于在火花塞绝缘子周边上与火花塞电极触点接触可使导电岛状物之间的连接简单。将表面放电火花隙的火花隙与诸导电岛状物及气体火花隙串联或者用带有与高压选通二极管(Hochspannungskippdiode)顺序相接的火花塞的部件可提高炭黑沉积的电极的灵敏度。导电岛状物可由高熔点、耐侵蚀和耐腐蚀象金属这类的材料制成，或由导电陶瓷材料制成。借助于一条或两条气体火花隙和加长了的带导电岛状物的表面放电火花隙可以减小电极的烧损，并能延长火花塞的使用寿命。
图1示出了火花塞的剖面和俯视图，图2示出了用导电材料涂敷表面放电火花隙的图形，图3示出了具有径向表面放电火花隙的火花塞的横截面，图4示出了具有弯曲表面放电火花隙的火花塞的横截面，图5示出了没有气体火花隙的火花塞的横截面，图6示出了具有表面放电火花隙的点涂敷的火花塞的剖面图a和俯视图b，图7示出了火花塞绝缘子上表面的星形覆盖层的剖面图a和俯视图b，图8a示出了一个剖面，图8b示出了带有在火花塞绝缘子上涂敷岛状物的小绝缘片的火花塞的俯视图，图9示出了具有表面放电火花隙、气体火花隙和有确定热容的高出来的导电岛状物(Inseln)的火花塞，图10a和图10b备示出了带有表面放电火花隙和气体火花隙的火花塞的剖面。
图1中左半侧为本发明的火花塞10的侧面图，右半部为剖面图。中心电极11的端部、作为外壳电极12的壳体、火花塞绝缘子13、在火花塞绝缘子13上带有导电岛状物16的表面放电火花隙14中的火花隙和空气隙15中的气体火花隙伸入内燃机的燃烧室20中。火花塞10通过终端段23的外螺纹拧入。为了拧紧，在火花塞壳体25上有一个六边形螺帽扳手头24。连接部分26有利于未示出的火花塞插塞和中心电极11的接触。通孔29内装有连接螺栓27。连接螺栓27和中心电极11由导电熔融玻璃材料28彼此以导电形式相连。
图2示出了六种不同的图形，它们示出对带导电岛状物16的火花塞10的表面放电火花隙14按一定规律进行涂敷的涂层。对于涂层人们应理解为存在有岛状物16。这些图形是在火花塞绝缘子13的弯曲上表面之处展开的平面图。图2a示出了点直径为d的三列点图形及一个断面，在该断面上绘出了各导电岛状物16之间的点火电压Ui＝Uj。在所有图形中，点火电压Ui或者Uj处于最低为1KV(千伏)至最高为5KV之间。
图2b示出了边长为a的三列正方形图形及岛状物16之间各点火电压的断面，其中Ui与Uj不等。图2c示出了一列矩形图形，其长与宽之比b∶c＝2 5∶7。图2d示出了边长为a的六角形蜂窝状图形。图2e示出了带有边长为a的等腰三角形岛状物16的图形，其中上部图形与下部图形不同。图2f示出了半轴比为e∶f的椭圆形图形及在平表面放电火花隙14的长度L上图形的分配。也可以将上述图形组合成其它的用于覆盖层的图形。
图3示出了带有中心电极11、外壳电极12和火花塞绝缘子13的火花塞10的燃烧室侧端的一个截面。火花塞的长度为1＋m的径向火花隙包括长度为1的表面放电火花隙14和长度为m的气体火花隙15。通常，常规的尺寸(也就是说不只适用于这些例子)是气体火花隙15为0.1至1.0mm，表面放电火花隙14为0.5至5.0mm。在火花塞绝缘子13的上表面区内对表面放电火花隙14涂敷一层由导电材料16形成的图形。这些尺寸只有在沿径向设置时才能直接相加，在其它情况中需通过试验确定。但是，这些尺寸也适用于在下面的附图中所示出的本发明的实例。
图4示出了带有中心电极11、外壳电极12和火花塞绝缘子13的火花塞10的燃烧室侧端的一个截面。与图3不同的是表面放电火花隙14为弯曲状。
图5示出了火花塞10的燃烧室侧端的一个截面，该火花塞带有确定的长度为1的弯曲表面放电火花隙14以及弯曲的外壳电极12，但没有气体火花隙15。
图6a示出了火花塞10的燃烧室侧端的一个截面，该火花塞的气体火花隙15非常小，在火花塞绝缘子13上有一些点状导电岛状物。图6b示出了图6a的火花塞10的正面俯视图。外壳电极12上也可设置锋利的边。
图7a示出了火花塞10的燃烧室侧端的一个截面，其气体火花隙15同样非常小，并有一些火花塞绝缘子13的局部为星状的点涂层。图7b示出了图7a中具有圆形中心电极11的火花塞10的俯视图。上述星形岛状物涂层16限制了表面放电火花隙14的火花的分路。可以使制得的岛状物16在固定的体积下具有固定的热容，以防止岛状物16熔融。
图8a示出了火花塞10的燃烧室侧端的另一截面，图8b为带有辐射状表面放电火花隙14和气体火花隙15的俯视图。将导电岛状物16涂在由绝缘材料17制成的小片上。这样，对火花塞绝缘子13而言可采用不同的绝缘材料17，以便利用其介电性能，例如采用介电常数高的材料，从而可进一步降低对放电电压的要求。首先，可以与火花塞绝缘子13无关地用绝缘材料17制成带岛状物16的小片。图8b示出了图8a所示火花塞10的俯视图。图中绝缘材料17的小片上具有带岛状物16的星形图案。
图9以片段的形式示出了带有用于表面放电火花隙14和气体火花隙15的单排岛状物链16的圆形火花塞10的原理。岛状物16约占火花塞绝缘子13中小片体积的75％。中心电极11与图形的一个岛状物16接触。气体火花隙15位于外壳电极12和表面放电火花隙14之间。所有岛状物16均为具有边长为a的正方形底面的柱形，其柱高为h，这就确定了岛状物16的热容。在火花塞的燃烧室侧上表面附近用调质材料19盖住岛状物16，以便抑制腐蚀。在将岛状件16装入火花塞绝缘子13之前应构成空隙。
也可以在烧结火花塞绝缘子13或绝缘材料17时象通常生产陶瓷构件那样通过形成空腔的方式制得上述空隙。
图10a示出了火花塞的燃烧室侧端的一个截面，该火花塞具有T形中心电极11和L形弯曲外壳电极12。中心电极11至少与一个导电岛状物16接触。考虑到火花塞10工作时外壳电极12的材料可能被烧损而又要保证表面放电火花隙14的延长微不足道且气体火花隙15的长度接近恒定，将岛状物16安排在外壳电极12的下方，借此可使外壳电极12和表面放电火花隙14之间的气体火花隙15从火花塞10的中轴朝外移。外壳电极12截面上的虚线表示在电极烧损的情况下部件延长之后外壳电极12’的轮廓。另一种可替换的火花隙是由中心电极11和表面放电火花隙14之间的气体火花隙15实现的，此时，表面放电火花隙14和外壳电极12在电气上彼此相连。
图10b示出了火花塞的燃烧室侧端的一个截面，该火花塞具有T形中心电极11和L形弯曲外壳电极12。火花塞10的火花隙包括中心电极11和表面放电火花隙14之间的气体火花隙15’、表面放电火花隙14、以及表面放电火花隙14和外壳电极12之间的气体火花隙15”。中心电极11和外壳电极12高出带有导电材料16的表面放电火花隙14的与气体火花隙15’和15”单端固定的周边区。
可用镍合金或贵金属制作图1-10的实施例中的岛状物16，当然，它们也可由如SiC，MoSi2，TiN，WC，HfB和氮化铝-氧化铝-氧化硅陶瓷材料(Sialone)之类的导电陶瓷制成。这类材料导热性能良好、比热高、密度大、熔点高，并在火花塞10工作期间呈现出稳定的抗腐蚀性。岛状物16的材料膨胀系数例如可以通过形成合金或使材料分层而与各种火花塞绝缘子13的材料相适应。
此外，还可选择不同的偶对材料制作岛状物16，例如，岛状物16有一个由导热性能良好和/或高熔点高纯度材料如铜、银、金或钨或贵金属合金制成的芯体。其上再覆盖耐腐蚀的贵金属和/或贵金属合金作为调质材料19，上述调质材料最好是铂、铱、铑或锇。
例如，可以按如下步骤加工上述导电岛状物16：在绝缘材料17的小片上或火花塞绝缘子13中加工出若干孔或凹槽，再用金属或导电陶瓷涂料(如金属陶瓷)涂敷上述工件的整个上表面，使孔或凹槽中填满导电材料。对这些工件的例如金属表面进行研磨后将金属岛状物16留在上述孔中，最好是留在上述凹槽中。上述凹槽可通过压制、钻孔、化学腐蚀、利用激光光束或能加工出空隙的方法制得。
另一种加工导电岛状物16的方法是用导电材料如金属使陶瓷工件13、17具有不定结构的涂层。该方法中省去了研磨工序，取而代之的是用激光光束除去不希望有的材料。一种方案是采用例如由金刚石制成的拉刀刻出金属裂缝。借此，人们可得到突出于火花塞绝缘子13或绝缘材料17的岛状物16，如果需要，接着还可用一种贵重材料对其进行调质处理。
此外，还可通过腐蚀方法使岛状物覆盖层16具有掩膜结构或改型。用厚层技术、墨球印刷术(Tamponprinttechnik)或通过在变青的或已灼热的火花塞绝缘子13或绝缘材料17上冶炼合金(Auflegieren)得到导电材料涂层在技术上具有特别的优点。生产岛状物16的其它金属喷涂方法是利用电镀或化学加厚薄膜技术、在真空中进行电化学分离、分层，或在上表面上使金属盐溶液还原。
通过中心电极11和外壳电极12选择火花塞10的电极的几何形状有利于使火花塞10适应于不同的发动机状态，这种选择与电极材料一起对电极的侵蚀速率产生影响，从而影响火花塞的使用寿命。对气体火花隙而言，目前放电电压一般为30KV，要求电极距约为1.0至1.4mm。用相同电压在氧化铝--火花塞绝缘子--陶瓷上的表面放电火花隙中电极距可达1.6至2.0mm。由于电极距加大传给待点火混合物的能量增加，同时减少了由于散热而引起的电极能量流失，因此火花塞的效率提高。如果使导入的热量流过陶瓷上表面区，最好使其流过可燃混合气，就能提高火花塞效率。这种附加的流过可燃混合气的能量提高了燃料在燃烧反应中产生的活化能，从而使燃料充分反应。
当施加点火电压时，首先在相邻岛状物16之间跳过火花，上述岛状物分布在离上表面更远的空间，这样可形成用于表面放电火花隙14的包络的火花等离子区，该等离子区继续越过导电岛状物在中心电极11和外壳电极12之间扩展(火花尾部)，因此，本发明的火花塞可实现真正的点火(火花上端)。火花塞10的有效点火电压由沿电极间火花路径的各点火电压的叠加而确定。有效点火电压为通过气体火花隙的点火电压及表面放电火花隙14的岛状物16之间的各点火电压之和，有时也许还要加上上述图形的边缘和电极11、12之间的点火电压部分。在几何形状相同的情况下，岛状物覆盖层16可起降低点火装置10的点火电压的作用。借肋于沿表面放电火花隙14的火花路径设置的岛状物的数目可使火花塞10的有效点火电压最低。在已知没有岛状物覆盖层的表面放电火花隙14的有效点火电压的情况下，可对表面放电火花隙的岛状物数目和岛状物尺寸进行选择，使没有岛状物覆盖层的点火电压和将用于岛状物覆盖的火花塞的各点火电压相加的点火电压之间的差值最大。
另一方面，将能量传给燃料混合物的后放电(火花尾部)可以在中心电极和外壳电极之间越过导电岛状物形成完全燃烧。这种现象只出现在完全放电的点火电压小于各岛状物16之间部分放电的点火电压之和以及在火花前端(首先放电)形成的部分放电的电离作用可以越过岛状物16结合起来的情况。从某个确定的岛状物数目起部分点火电压之和总是大于全部放电的点火电压，因为在部分放电时在每个电极上及在岛状物电极上必然产生阴极电势降，这种阴极电势降在完全放电时只在外壳电极12或中心电极11上出现一次。
Claims (22)
1、火花塞，尤其是用于内燃机的火花塞，它包括至少一个中心电极(高压电极)和至少一个外壳电极，一个绝缘的火花塞绝缘子和一个处于中心电极和外壳电极之间的表面放电火花隙，其特征在于，上述表面放电火花隙(14)具有由彼此绝缘的导电材料(16)构成的岛状物图形。
2、如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，将上述带有由导电材料(16)构成的岛状物的图形设置在火花塞绝缘子(13)上，或设置在一个附加的处于火花塞绝缘子(13)上的绝缘子(17)上。
3、如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，上述图形由导电材料(16)以按一定规律设置在同一平面的岛状物的形式构成。
4、如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，上述导电材料(16)岛状物沿火花方向的扩张尺寸为20至500μm。
5、如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，上述导电岛状物的层厚为10至1000μm。
6、如上述任一项权利要求所述的火花塞，其特征在于，上述图形周边处的岛状物(16)部分地与上述电极(11，12)以导电的方式相连。
7、如上述任一项权利要求所述的火花塞，其特征在于，上述岛状物(16)由高熔点耐腐蚀象金属之类的材料制成，或者由导电陶瓷材料制成，最好由镍合金、钨或贵金属或者由如SiC，MoSi2，TiC，TiN，WC，HfB，或氮化铝-氧化铝-氧化硅陶瓷材料(SiO2，Al2O3，SiN)之类的陶瓷制成。
8、如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，相对于表面放电火花隙(14)还附加设有一个气体火花隙(15)。
9、如权利要求8所述的火花塞，其特征在于，中心电极(11)或外壳电极(12)无接触地高出火花塞绝缘子(13)或者高出牢固地附于火花塞绝缘子上的绝缘材料(17)上的岛状物(16)。
10、如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，将一个高压选通二极管按顺序与火花隙(14，15)相接。
11、如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，表面放电火花隙(14)的分段数为2至15。
12、如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，表面放电火花隙(14)的岛状物之间的空隙之和明显小于电极(11，12)间的距离。
13、如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，轴对称的火花塞绝缘子(13)的上表面区在电极(11，12)之间的范围内具有各自沿径向走向的星形路径。
14、如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，电极(11，12)之间的火花塞绝缘子(13)的上表面区全部由一种导电岛状物(16)的图形覆盖。
15、制造如权利要求1所述的火花塞的方法，其特征在于，用厚层技术尤其是用丝网印刷或墨球印刷将导电岛状物(16)涂敷在已熔结或已烧红的火花塞绝缘子(13)上。
16、制造如权利要求1所述的制造火花塞的方法，其特征在于，将导电的贵金属或陶瓷岛状物(16)尤其是呈球形或圆柱形或圆盘形的岛状物在火花塞绝缘子(13)发青或烧红时导入其上表面区，然后再一起进行烧结。
17、如权利要求15或16所述的制造火花塞的方法，其特征在于，通过激光束使用导电材料涂敷的无一定结构的火花塞绝缘子(13)的上表面区具有一种图形。
18、制造如权利要求1所述的火花塞的方法，其特征在于，用激光束使火花塞绝缘子(13)上的金属岛状物(16)成为合金。
19、制造如权利要求1所述的火花塞的方法，其特征在于，通过电镀分离、冶炼合金或焊接使由薄膜技术或厚膜技术制出的导电岛状形图形(16)加厚。
20、制造如权利要求1所述的火花塞的方法，其特征在于，在小基片(17)上制成与火花塞绝缘子(13)分开的导电岛状物(16)的图形，并用粘贴或烧结方法将该基片(17)固定在火花塞绝缘子(13)上。
21、制造如权利要求1所述的制造火花塞的方法，其特征在于，将导电岛状物(16)最好导入火花塞绝缘子(13)或绝缘材料(17)的不同深度的孔中。
22、如权利要求1所述的火花塞，其特征在于，在处于火花塞绝缘子上的附加绝缘子(17)上设有由导电材料(16)构成的带岛状物的图形，上述绝缘子(17)由具有高介电常数的陶瓷材料制成。
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