CN113054535B - 可用于高频点火系统的火花塞 - Google Patents

Abstract

涉及可用于内燃机的火花塞，火花塞具有中心电极、接地电极、和设置在中心电极和接地电极之间的电绝缘体；中心电极和接地电极在火花塞的轴向端伸出绝缘体，且具有轴向伸出绝缘体的部分，分别构造成中心电极端和接地电极端；中心电极端和接地电极端在中心电极端和接地电极端之间沿轴向方向形成间隙的轴向区域；间隙的轴向区域远离电绝缘体；至少一个附加电极，附加电极在火花塞的轴向端伸出绝缘体，并且一部分轴向地伸出绝缘体，构造为附加电极端。附加电极在火花塞处与接地电极和中心电极电绝缘；附加电极端设置于间隙的区域内，间隙的区域径向接近间隙的轴向区域，从而附加电极端将间隙分成两个点火火花部分。

Description

可用于高频点火系统的火花塞

相关申请的交叉引用

本申请是申请日为2017年4月11日，申请号为201780032356.5，发明名称为“可用于高频点火系统的火花塞”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于内燃机的火花塞，特别是用于具有高频点火系统的内燃机。

背景技术

火花塞在内燃机中具有通过在插头电极之间跳跃的火花点燃燃烧室中的燃料/燃料或空气/燃料混合物的功能。为此，将点火电压引入燃烧室时，必须有良好的绝缘。

例如图1中所示的示例，并且由DE19843712A1可知，已知的火花塞10通常具有金属管状外壳12，金属管状外壳12在其点火侧端14处以密封的方式包围接地电极16和具有内孔的绝缘体18。管状外壳12具有激活装置，激活装置为例如六角形头20和外螺纹22的形式，利用该激活装置以密封形式在发动机组的塞孔中固定火花塞10。绝缘体18在多个点处相对于金属外壳12被密封，绝缘体18被密封之处占绝缘体18的大部分。且绝缘体18具有纵向孔，固定于此的点火电缆(或直接连接的点火线圈(未示出))的连接螺栓24从连接侧26伸入纵向孔中。在点火侧14上，中心电极28布置在所述绝缘体的纵向孔中。中心电极28在纵向方向上穿过绝缘体18并通过火花间隙与接地电极16分开。由于改善了耐烧蚀性，中心电极28通常由导电烧结材料制成。绝缘体18通常由陶瓷制成。具有滑石环的内部密封件30将绝缘体18密封在外壳12上。外部密封环32在安装状态下密封火花塞的座。此外，在中心电极28的方向上设置有干扰抑制电阻器34。在绝缘体18的外周上配备有漏电载流子36。

为了确保高等级的安全性并且免于根据规定制成的空气/燃料混合物的点火故障的影响，必须确保在中心电极和接地电极之间形成的火花间隙不会受到火花塞上其他位置破坏性的局部放电的不利影响。但是，特别是当空气/燃料混合物被高频点燃时，在常规使用陶瓷绝缘体的情况下，所谓的滑动放电可能会在绝缘体的表面上发生。这种滑动放电不仅对安全性和对预防产生点火故障产生不利影响，甚至还可能引起对火花塞的局部破坏。

DE112008000989T5公开了具有中心电极和两个接地电极的火花塞，其中接地电极与中心电极一起限定了径向点火火花间隙，而另一个接地电极与中心电极一起限定了轴向点火火花间隙。

除了接地电极和中心电极之外，DE19843712 A1还提供旁路电极。该旁路电极由半导体材料制成。该旁路电极将接地电极和中心电极彼此电连接。通过在中心电极和接地电极之间施加点火电压，经由旁路电极执行电容放电，然后通过感应点火间隙执行感应放电。

所谓燃料直喷的火花点火燃烧方法由于可能在燃烧室中形成分层进气而在减少消耗方面具有很大的潜力。但是，燃烧室中的非均质混合物使得在适当时间在可靠点火方面使用的点火方法的需求增加。任何类型的波动都会降低例如点火的质量并因此降低整个发动机的效率。一方面，可燃混合物的位置可稍微变化，另一方面，火花塞的接地电极的钩可对混合物的形成具有破坏性影响。具有相对较大的空间范围的点火系统进入燃烧室对于直喷燃烧方法是有帮助的。为此目的，DE102004058925A1提出借助于等离子体点燃内燃机的燃烧室中的燃料/空气混合物。相应的高频等离子点火装置包括串联振荡电路和高频源，串联振荡电路具有电感器和电容器，高频源用于该串联振荡电路的谐振激励。电容器由内部和外部导体电极形成，电介质位于内部和外部导体电极之间。在这些电极之间具有预定距离。这些电极以其最外端延伸，进入燃烧室。

DE102008051185A1公开了一种点火方法，其中借助于直流电压脉冲产生放电等离子体，并且随后放电等离子体借助于高频场而电离。高频发生器的直流电压脉冲和输出信号在此一起被馈送到火花塞的火花电极。火花塞的相应电极接地。

现今用于火花点火发动机的现代点火系统具有火花塞和单独点火线圈，单独点火线圈具有电子致动单元。火花塞是同轴结构，并且基本上由被绝缘体包围的中心电极和连接到火花塞壳体的外电极组成。点火线圈向火花塞提供高压脉冲。引发燃烧的火花在电极之间产生。在DE102013215663A1中描述了另一种方法，即除了施加的点火线圈的高压之外，还向火花塞施加了高频电压以延长火花的持续时间。

发明内容

本发明部分实施例的目的是在点火可靠性和功能方面改进火花塞。

为此根据本发明部分实施例，对上述类型的火花塞规定了在火花塞上设置至少一个附加电极，所述附加电极与接地电极和中心电极电绝缘，所述附加电极在绝缘体的轴向端处突出于绝缘体并形成附加电极端，并且所述附加电极的一部分轴向突出于绝缘体，其中，所述附加电极端突出到中心电极端和接地电极端之间的间隙的轴向区域中或者突出到与间隙的轴向区域径向相邻的间隙的区域中。

这具有以下优点：存在具有三个电极的火花塞，三个电极可以彼此独立地连接到点火系统；火花塞可以用于常规内燃机中，可以稍作任何改动也可以不改动，例如可以改动火花塞连接器；并且允许在常规内燃机中使用或改装高频点火系统。中心电极端和接地电极端或间隙的区域之间的间隙的轴向区域分别被附加电极分成两个点火火花间隙，间隙的区域与间隙的轴向区域径向相邻。

根据本发明部分实施例，接地电极被实施为在预定轴向截面中围绕绝缘体的金属外壳，并且其中螺纹设置在金属外壳的面向接地电极端的轴向端。因此，实现了火花塞与常规汽缸盖中的常规火花塞插座的兼容性。

根据本发明部分实施例，在金属外壳和绝缘体之间设置至少一个内部密封件，至少一个外部密封件，特别是密封环，设置在金属外壳上。因此，实现了电极端伸入的空间与周围环境之间的密封。

根据本发明部分实施例，第一点火火花间隙沿着中心电极的纵向轴线在轴向方向上延伸，因此，火花塞的设计特别紧凑。

根据本发明部分实施例，中心电极端和附加电极端布置和构成为在中心电极端和附加电极端之间沿轴向形成第二点火火花间隙，与绝缘体隔开，其中第二点火火花间隙沿着中心电极的纵向轴线在轴向方向上延伸，并且第一和第二点火火花间隙在轴向方向上彼此对齐地设置。因此，获得了具有改进的点火性能的双空气火花火花塞。

根据本发明部分实施例，点火火花间隙(156，166)至少0.2毫米长。因此，实现了当高压仅施加到中心电极时，在中心电极和附加电极之间以及在附加电极和接地电极之间可靠地产生空气火花。

根据本发明部分实施例，附加电极径向布置在绝缘体内，在绝缘体内基本上平行于接地电极延伸，并且与接地电极径向间隔开，其中在绝缘体处设有用于将附加电极电连接到点火系统的附加电极连接点。由此实现了一种特别紧凑的火花塞设计，其具有受控阻抗，用于施加在中心电极和附加电极之间的高频信号。火花塞中的高频馈线相对于电极端的阻抗基本上取决于附加电极和接地电极之间的距离以及填充材料的介电常数。

根据本发明部分实施例，附加电极端实施为闭合环路，该闭合环路在附加电极处开始，再次进入绝缘体，并在绝缘体中作为另一附加电极平行于接地电极径向延伸且与接地电极之间的间隔恒定，其中另外的附加电极电连接到附加电极连接点。因此，实现了阻抗稳定性的改善。

根据本发明部分实施例，附加电极端实施为L形并且具有自由端，因此使得火花塞的制造特别简单且性价比高。

根据本发明部分实施例，接地电极端实施为L形并且具有自由端，因此使得火花塞的制造特别简单且性价比高。

根据本发明部分实施例，接地电极端实施为在接地电极处开始和结束的闭合环路，因此阻抗的稳定性得以改善。

附图说明

以下将基于附图对本发明进行更详细的解释，其中：

图1以剖视图示出了现有技术中已知的用于内燃机的火花塞；

图2以剖视图示出了根据本发明的火花塞的第一优选实施例；

图3A以剖视图示出了根据图2的火花塞的点火侧端的放大细节，具有伸入间隙的轴向区域的附加电极；

图3B示出了根据图2的火花塞的点火侧端的放大细节，具有附加电极，附加电极伸入到间隙的区域中，该区域径向地邻近间隙的轴向区域；

图4以剖视图示出了根据本发明的火花塞的第二优选实施例；

图5以剖视图示出了根据本发明的火花塞的第三优选实施例。

具体实施方式

如图2和图3所示，根据本发明的火花塞100的第一优选实施例包括中心电极128和金属外壳形式的接地电极112，金属外壳围绕预定轴向部分上的绝缘体118并且在点火侧端114处具有外部螺纹122，在连接侧端126处具有中心电极连接点124。中心电极连接点124用于将中心电极128电连接到点火系统(未示出)。此外，六角形120以金属外壳的形式构造在接地电极112上，该六角形120用于接合用于将火花塞安装到内燃机发动机组上或从内燃机发动机组上拆下火花塞的工具(火花塞键)。

中心电极128设置在绝缘体118中，在火花塞100的连接侧端126处电连接到中心电极连接点124，并且在点火侧端114处轴向突出于绝缘体118，其中一部分构造为中心电极端140。中心电极端140以线性方式实现，电连接到中心电极128并沿中心电极128的中心纵向轴线144延伸。中心电极端140与中心纵向轴线144设置为同轴。或者，中心电极128也可以相对于中心纵向轴线144偏心地布置。

接地电极112在点火侧端114处具有构造为接地电极端142的部分，该接地电极端142在轴向方向上突出于绝缘体118并且电连接到接地电极112，即电连接到金属外壳。接地电极端142构造为L形并且延伸，与中心纵向轴线144相交。这样，在中心电极128和接地电极112之间和/或在中心电极端140和接地电极端142之间，间隙146的轴向区域170构造而成并限定于中心纵向轴线144且与绝缘部分118轴向间隔开。

根据本发明，另外提供了附加电极150，布置在火花塞100上，与中心电极128和接地电极112电绝缘。附加电极150布置在绝缘体118中并且在绝缘体118中延伸，与中心电极128径向间隔开并与中心电极128平行。附加电极连接点152设置在或者靠近绝缘体118上的连接侧端126。附加电极连接点152电连接到附加电极150并用于将附加电极150电连接到点火系统。附加电极端154设置在火花塞100的点火侧端114处，与附加电极150电连接，并且在轴向方向上突出于绝缘体118。附加电极端154构造为L形，且以如图3A所示替换的方式伸入到中心电极端140和接地电极端142之间的间隙146的轴向区域170。这样，在中心电极128和附加电极150之间或在中心电极端140和附加电极端154之间，第二点火火花间隙156构造而成并限定于中心纵向轴线144且与绝缘部分118轴向间隔开；且在附加电极150和接地电极112之间或在附加电极端154和接地电极端142之间构造或限定了第一点火火花间隙166。在此，分别如图3A和图3B直接明显地所示出的，第二点火火花间隙156的长度比第一点火火花间隙166的长度更小或更短。

图3B示出了第二替代方案，其中相同的附图标记表示与图3A中的功能相同的部分。因此，为了便于说明，将参考图3A的上述说明。在图3B中所示的第二替代方案中，附加电极端154也构造成L形并且延伸到间隙146的区域172，间隙146的区域172径向地邻近间隙146的轴向区域170。附加电极端154与中心纵向轴144在中心电极端140和接地电极端142之间相交(如图3B所示)，或者不相交。

关于点火火花间隙(至少一个)，以上关于第一替代方案所述的内容类似地适用于第二替代方案。

图4示出了根据本发明的火花塞100的第二优选实施例。在图4中，功能相同的部分用与图2和3中相同的附图标记表示。因此，参考上述图2和3对其进行解释。与根据图2和图3的第一实施例相反，在根据图4的第二实施例中，附加电极端154和接地电极端142构造为闭环，而在火花塞100的点火侧端114处没有自由端。在此情况下，接地电极端142的环开始并结束于接地电极112或造为接地电极112的金属外壳。附加电极端154的环从绝缘体118处的附加电极150开始并终止于绝缘体118，该绝缘体118与绝缘体118上的附加电极端154的环的起始点径向间隔开。这就使得当在根据本发明的火花塞100与高频点火系统(未示出)一起使用时，阻抗保持稳定。

图5示出了根据本发明的火花塞100的第三优选实施例。在图中5中，功能相同的部分用与图2、图3、图4中相同的附图标记表示。因此，参考上述对图2、图3、图5的说明对其进行解释。与根据图4的第二实施例相反，在根据图5的第三实施例中，提供了附加电极150a，其设置在绝缘体118中并且基本上平行于中心电极128延伸并且与中心电极128径向间隔开。附加电极端154的环从绝缘体118上的附加电极150开始并终止于绝缘体118，其中该环电连接到另一附加电极150a。此外，另一附加电极150a电连接到附加电极连接点152。附加电极连接点152例如以环形形状构造在绝缘体118的外周上，并且以这种方式通过火花塞连接器(未示出)中的相应的附加电触点形成电接触。这就使得当根据本发明的火花塞100与等离子体点火系统(未示出)一起使用时，阻抗进一步稳定。

或者，附加电极150和另一附加电极150a在绝缘体中以管状或以旋转对称的方式一体地构造并且相对于中心电极128同轴地设置。

以下根据图2至图5对根据本发明的火花塞100的功能方法进行描述，图2至图5已在上文通过示例进行解释。通过向中心电极128施加高压脉冲，一方面在中心电极128和附加电极150之间或者在中心电极端140和附加电极端154之间产生双气隙，另一方面在附加电极150和接地电极112或附加电极端154和接地电极端142之间产生双气隙。根据所连接的点火系统或点火电路，附加电极150是无源的(passive)或有源的(active)。在这种情况下，附加电极150例如电连接到地(单火花)，电连接到电容(无源)或电连接到高频放大器(有源)。在后一种情况下，通过附加电极150施加电高频(HF)能量，其结果是从点火火花激发等离子体，然后在火花塞100的点火侧端114处相应地产生等离子体，并且等离子体保持到高频能量的供应结束。

当火花塞100与具有高压源(高直流电压源)的高频点火系统(例如点火线圈)和高频电压源一起使用时，中心电极128是高压电极，用于与高频点火系统的高压电源电连接。这样，由高压源产生的短暂的电高压(电高压脉冲或高直流电压脉冲DC)被馈送到中心电极128，并且一方面在中心电极128和附加电极150之间和/或在中心电极端140和附加电极端154之间产生点火火花，另一方面在附加电极150和接地电极112和/或附加电极端154和接地电极端142(双空气火花)之间产生点火火花。该点火火花通过附加电极150在中心电极128和接地电极112之间产生等离子体，和/或通过在第一和第二点火火花间隙166、156当中的附加电极端154在中心电极端140和接地电极端142之间产生等离子体。“电高直流电压脉冲”的表述表示具有高电能(例如8kV至12kV)的电直流电压脉冲。

附加电极150是高频电极，用于与高频点火系统的高频源电连接。这样，由高频源产生的电高频电压被馈送到附加电极150并且在高直流电压脉冲的基础上通过点火火花预先产生的等离子体进一步加热。由此，该等离子体可以在附加电极150和接地电极112之间和/或在附加电极端154和接地电极端142之间和/或在附加电极端154和接地电极端142周围的空间中保持一段时间。该时间段明显比实际点火火花存在的时间段(几纳秒)更长(达到几毫秒)。因此，用于点燃空气/燃料混合物的等离子体存在于附加电极150和接地电极112之间和/或附加电极端154和接地电极端142之间和/或附加电极端154和接地电极端142周围的空间中的点火侧端126处。存在时间段长于几纳秒。空气/燃料混合物的点火更可靠，且非常稀薄的空气/燃料混合物和高废气反馈率的情况下都可点火，以便应对单靠传统点火火花不再能可靠地确保空气/燃料混合物点燃，或者在有时甚至根本不能点火的情况。

高频等离子体的阻抗的稳定性比轴向馈电线的恒定阻抗更重要。这需要高频等离子体的空间稳定。这是通过在附加电极端154和接地电极端142之间提供最等距离的可能距离来完成的，高频等离子体在附加电极端154和接地电极端142之间发射。在此，这里，不仅支架可以想到作为结构，而且例如穿孔的半球等也可以。因此可以保护高频等离子体免于扩散，这导致高频等离子体的阻抗发生不被期望的变化。由于结构原因，中间电极150甚至可以不作轴向定向。

Claims (12)

1.一种可用于内燃机的火花塞(100)，包括：

中心电极(28；128)、接地电极(12；112)、至少一个附加电极(150)和设置在所述中心电极(28；128)和所述接地电极(12；112)之间的电绝缘体(18；118)；

其中，中心电极连接点(26；126)布置在所述绝缘体(18；118)上，所述中心电极连接点(26；126)用于将所述中心电极(28；128)连接到点火系统；

其中，所述中心电极(28；128)和所述接地电极(12；112)在所述火花塞(100)的轴向端(114)伸出所述绝缘体(18；118)并且分别构造成中心电极端(140)和接地电极端(142)以及分别具有轴向伸出所述绝缘体(18；118)的部分；

其中，所述中心电极端(140)和接地电极端(142)布置和构成为在所述中心电极端(140)和所述接地电极端(142)之间沿轴向方向形成间隙(146)的轴向区域(170)；

其中，所述间隙(146)的轴向区域(170)与所述绝缘体(18；118)隔开；

其中，所述附加电极(150)在所述火花塞(100)的轴向端(114)伸出所述绝缘体(118)，并且一部分轴向地伸出所述绝缘体(118)，构造为附加电极端(154)；

其中，所述附加电极(150)在所述火花塞(100)上与所述接地电极(112)和所述中心电极(128)绝缘；

其中，所述附加电极端(154)设置于所述间隙(146)的区域(172)内，所述间隙(146)的区域(172)径向接近所述间隙(146)的轴向区域(170)，从而所述附加电极端(154)将所述间隙(146)分成第一点火火花间隙(166)和第二点火火花间隙(156)；

其中，所述附加电极(150)在所述绝缘体内平行于所述接地电极(112)延伸，并且与所述接地电极径向间隔开，其中，在所述绝缘体(118)上设有用于将所述附加电极(150)电连接到点火系统的附加电极连接点(152)。

2.根据权利要求1所述的火花塞(100)，其特征在于：所述接地电极(112)为在预定轴向截面中围绕所述绝缘体(118)的金属外壳，其中，螺纹(122)设置在所述金属外壳的面向所述接地电极端(142)的轴向端。

3.根据权利要求2所述的火花塞(100)，其特征在于：至少一个内部密封件(30)布置在所述金属外壳(112)和所述绝缘体(118)之间，和至少一个外部密封件(32)设置在所述金属外壳(112)上。

4.根据权利要求3所述的火花塞(100)，其特征在于：所述外部密封件(32)是密封环。

5.根据权利要求1所述的火花塞(100)，其特征在于：所述第一点火火花间隙(166)沿着所述中心电极(128)的纵向轴线(144)在轴向方向上延伸。

6.根据权利要求5所述的火花塞(100)，其特征在于：所述中心电极端(140)和所述附加电极端(154)布置和构成为在所述中心电极端(140)和所述附加电极端(154)之间沿轴向方向形成第二点火火花间隙(156)，与所述绝缘体(118)隔开，其中，所述第二点火火花间隙(156)沿着所述中心电极(128)的纵向轴线(144)在轴向方向上延伸，并且所述第一和第二点火火花间隙(166,156)在轴向方向上彼此对齐地设置。

7.根据权利要求5或6所述的火花塞(100)，其特征在于：所述点火火花间隙(156，166)至少为0.2毫米长。

8.根据权利要求1至6中的任一项所述的火花塞(100)，其特征在于：所述附加电极端(154)为闭合环路，所述闭合环路从所述附加电极(150)处开始，进入所述绝缘体(118)，并在所述绝缘体(118)中径向延伸作为另一附加电极(150a)与所述接地电极(112)隔开并平行于所述接地电极(112)，其中，所述另一附加电极(150a)电连接到所述附加电极连接点(152)。

9.根据权利要求1至6中的任一项所述的火花塞(100)，其特征在于：所述附加电极端(154)为L形并且具有自由端。

10.根据权利要求1至6中的任一项所述的火花塞(100)，其特征在于：所述接地电极端(142)为L形并且具有自由端。

11.根据权利要求1至6中的任一项所述的火花塞(100)，其特征在于：所述接地电极端(142)为从所述接地电极(112)处开始和结束的闭合环路。

12.根据权利要求1至6中的任一项所述的火花塞(100)，其特征在于：所述附加电极(150)是高频电极，所述中心电极(28；128)是高压电极。

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