CN115693408B - 一种带有预燃室的火花塞及发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有预燃室的火花塞，包括：绝缘体、中心电极、金属壳体，内密封垫圈及预燃室帽，预燃室通过喷孔与发动机燃烧室相通，发动机燃烧室的混合气通过喷孔进入预燃室。通过控制中心电极顶端与内密封垫圈之间的距离和后预燃室的体积，以减少预燃室内残留的废气，进而减小残留废气对新压入预燃室内混合气浓度的影响，提高预燃室内混合气的点燃成功率。通过控制预燃室体积与发动机燃烧室体积的比值，提高预燃室燃烧混合气体的喷射动能，使燃烧混合气体通过喷孔喷射到发动机燃烧室更大的范围，使得发动机燃烧室内的混合气能够同步燃烧做功。既提高了点火可靠性，又保证发动机燃烧室内的混合气能够充分燃烧，提高了发动机效率。

Description

一种带有预燃室的火花塞及发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种带有预燃室的火花塞及发动机。

背景技术

混合气通过预燃室的喷孔被压入预燃室内部，火花塞在预燃室内部放电，点燃预燃室内的混合气，燃烧混合气体通过喷孔以高速射流方式喷射进入发动机主燃烧室内，进一步快速点燃主燃烧室内混合气。以往，具有预燃室的火花塞被运用在超大型的最高转速在2000转以下的内燃机上，以解决传统火花塞点火不良的问题，但随着排放法规的日益严苛，小型的高转速发动机已开始采用稀薄燃烧等新技术，发动机燃烧室混合气浓度偏低，需要配置点火性能更好的预燃室火花塞。

但是对于高转速乘用车发动机来说，由于进排气冲程的时间更短，预燃室内的燃烧废气难以及时排出，有时出现点火性能不良的情况，因此有必要对预燃室火花塞的结构进行更加精细化的研究。

经专利检索，与本申请有一定关系的主要有以下专利：

1、申请号为“202111275317.2”、申请日为“2021.10.29”、公开号为“CN113922211A”、公开日为“2022.01.11”、名称为“一种火花塞和发动机”、申请人为“潍柴火炬科技股份有限公司”的中国发明专利。该发明专利发明是通过控制预燃室的尺寸以及采用高导热性能的材料来解决火花塞容易过热烧蚀的技术问题，并没有涉及预燃室内的燃烧废气难以及时排出、导致点火性能不良的问题。

2、申请号为“201811455336.1”、申请日为“2018.11.30”、公开号为“CN109378710A”、公开日为“2019.02.22”、名称为“一种带有预燃室结构的火花塞”、申请人为“重庆长安汽车股份有限公司”的中国发明专利。该发明的预燃室壳体上设有多个上喷孔以及多个下喷孔，形成不同喷射锥角的上下分层射流火焰，从而加速混合气燃烧，有效解决汽油机采用米勒/阿特金森循环时出现的燃烧速率下降的问题，并没有涉及预燃室内的燃烧废气难以及时排出、导致点火性能不良的问题。

3、申请号为“201910583936.4”、申请日为“2019.07.01”、公开号为“CN110676692A”、公开日为“2020.01.10”、名称为“火花塞”、申请人为“日本特殊陶业株式会社”的中国发明专利。该发明专利通过控制喷孔的方向，来抑制因活塞、气缸盖吸收热所致的热损失，提高发动机效率。并没有涉及预燃室内的燃烧废气难以及时排出、导致点火性能不良的问题。

4、申请号为“202121656254.0”、申请日为“2021.07.20”、公开号为“CN215343346U”、公开日为“2021.12.28”、名称为“一种乘用车汽油发动机预燃室火花塞”、申请人为“杭州普隆格科技有限公司”的实用新型专利。该实用新型专利是通过控制预燃室容积与燃烧室容积比可大于1％的方式，来增强点火能量与火焰射流强度，与本申请的技术方案不同。

5、申请号为“CN200580027882.X”、申请日为“2005.06.07”、公开号为“CN101006255A”、公开日为“2007.07.25”、名称为“预燃室火花塞”、申请人为“伍德沃德控制器公司”的中国发明专利，该专利通过在较大表面积上分布放电能量，维持火花间隙中的燃料浓度，来降低火花电压和点火所需能量，以防止电极过热和提前点火，延长火花塞使用寿命。并没有涉及预燃室内的燃烧废气难以及时排出、导致点火性能不良的问题。

上述专利虽然涉及了预燃室，但是并没有提出对高转速发动机稀薄燃烧预燃室火花塞在高转速工况点火不良的问题。

发明内容

本发明是针对高转速乘用车发动机采用带有预燃室的火花塞时，由于进排气冲程时间短、预燃室内废气难以及时排出，导致点火性能不良。而提供一种能解决上述点火不良问题、且在混合气稀薄的情况下具有优秀的点火性能的预燃室火花塞。

一种带有预燃室的火花塞，包括：绝缘体、中心电极、金属壳体，内密封垫圈及预燃室帽，绝缘体、金属壳体、内密封垫圈及预燃室帽形成的空间为预燃室，预燃室通过喷孔与发动机燃烧室相通，发动机燃烧室的混合气通过喷孔压入预燃室，中心电极设置在预燃室内。将中心电极顶端到预燃室帽靠近中心电极顶端一侧的距离设为L，将内密封垫圈与绝缘体之间的交点至预燃室帽靠近中心电极顶端一侧的距离设为H，L与H之间满足0.3≤L/H≤0.8。由于在每个燃烧做功冲程后，中心电极顶端至内密封垫圈之间的废气难以排出，在新的混合气被压入预燃室时，残留的废气会冲淡预燃室内混合气的浓度，使原本稀薄的混合气更加稀薄，导致不能点燃混合气。当满足上述关系式时，中心电极顶端至内密封垫圈的距离相对较短，所残留的废气相对较少，废气对新压入预燃室内混合气浓度的影响较小，因此混合气的点燃成功率较高。

进一步地，0.5≤L/H≤0.8。经大量试验，当满足上述关系式时能够进一步确保点燃成功率的提高。

进一步地，用垂直于中心轴并通过中心电极顶端的平面X1截取预燃室，将预燃室分为前预燃室和后预燃室，设前预燃室体积设为V1，后预燃室体积设为V2，V1与V2之间满足1.9≤V1/V2≤4.1。此时能够更精确地减少和控制废气所占的比例，进一步提高混合气的点燃成功率。

进一步地，不少于2个的喷孔均布在预燃室帽，喷孔直径为d，0.8mm≤d≤1.2mm。以确保预燃室与发动机燃烧室之间有足够的流通面积，以便混合气能够快速压入预燃室。预燃室内的燃烧混合气体通过喷孔喷射到发动机燃烧室更大的范围，使得发动机燃烧室内的混合气能够同步燃烧做功，以提高发动机效率。

进一步地，喷孔轴线与垂直于中心轴的平面之间夹角为α， 38°≤α≤44°。以便混合气经喷孔快速压向中心电极顶端，快速提高中心电极顶端处的混合气浓度，提高点燃成功率。

进一步地，喷孔轴线偏离中心轴距离为c，0.5mm≤c≤1.5mm。此时混合气经喷孔被压入预燃室后可以产生旋流，使靠近预燃室内壁处的混合气浓度升高，确保产生电火花处有足够的混合气浓度，保证混合气被成功点燃，进而形成射流点燃发动机燃烧室的混合气。

进一步地，中心电极顶端两端与作为侧电极的金属壳体或预燃室帽之间形成宽度相同的放电间隙，在中心电极顶端的两端均能够产生电火花，以提高点燃成功率。

本发明还涉及一种发动机，包括发动机燃烧室，采用上述带有预燃室的火花塞，适应于稀薄燃烧环境。应用于小型化的高速发动机，能够降低发动机尾气中有害气体，满足排放法规的要求。

进一步地，将发动机燃烧室体积设为Vc，预燃室体积与发动机燃烧室体积之间满足0.005≤(V1+V2)/ Vc≤0.02。当满足上述关系式时，预燃室点火系统能够实现优秀的燃烧效果。具体而言，当预燃室的体积(V1+V2)与发动机燃烧室的体积（Vc）之比值偏小时，预燃室的引燃效果不佳，燃烧混合气体喷射动能不足，燃烧系统的燃烧效率不佳；当预燃室的体积(V1+V2)与发动机燃烧室的体积（Vc）比值偏大时，预燃室内部体积过大，难以实现足够浓度的混合气。

进一步地，0.002≤V2/Vc≤0.01。满足上述关系式时，预燃室点火系统的燃烧效果进一步提升。

本发明的有益效果为：通过控制中心电极顶端与内密封垫圈之间的距离和后预燃室的体积，以减少预燃室内残留的废气，进而减小残留废气对新压入预燃室内混合气浓度的影响，提高预燃室内混合气的点燃成功率。通过控制预燃室体积与发动机燃烧室体积的比值，提高预燃室燃烧混合气体的喷射动能，使燃烧混合气体通过喷孔喷射到发动机燃烧室更大的范围，使得发动机燃烧室内的混合气能够同步燃烧做功。既提高了点火可靠性，又保证发动机燃烧室内的混合气能够充分燃烧，提高了发动机效率。

附图说明

图1为实施例剖视示意图，

图2为图1中A局部放大示意图，

图3为预燃室帽立体结构示意图，

图4为预燃室帽俯视示意图，

图5为图4中B—B剖视示意图，

图中：1—接线端子、2—绝缘体、3—壳体、4—外密封垫、5—中心电极、6—内密封垫、7—、8—预燃室帽、9—喷孔、10—前预燃室、11—后预燃室、H一内密封垫圈与绝缘体交点至预燃室帽内侧顶端距离、L—中心电极顶端与预燃室帽内侧顶端距离、V1—前预燃室体积、V2—后预燃室体积、Z—中心轴、Y—喷孔轴线、X1—垂直于中心轴并通过中心电极顶端的平面、α—喷孔轴线与垂直于中心轴的平面之间夹角、X2—垂直于中心轴并通过内密封垫圈与绝缘体交点的平面、X3—垂直于中心轴的平面、c—喷孔轴线Y偏离中心轴Z距离、d—喷孔直径。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的描述：

如图1和2所示,带有预燃室的火花塞包括：接线端子1、绝缘体2、金属壳体3、外密封垫4、中心电极5、内密封垫圈6及预燃室帽8。由绝缘体2、金属壳体3、内密封垫圈6及预燃室帽8形成的空间为预燃室，预燃室通过多个喷孔9与发动机燃烧室相通，发动机燃烧室的混合气通过喷孔9被压入预燃室，中心电极5设置在预燃室内。中心电极5一端设有T形的中心电极顶端7，中心电极顶端7两端与作为侧电极的金属壳体3或预燃室帽8之间形成宽度相同的放电间隙，在中心电极顶端7两端能够同时产生电火花，即使其中一端没有放电，另一端的放电能够将预燃室内的混合气点燃，提高了预燃室火花塞的点火性能。

将中心电极顶端7到预燃室帽8靠近中心电极顶端7一侧的距离设为L，将内密封垫圈6与绝缘体2之间的交点至预燃室帽8靠近中心电极顶端7一侧的距离设为H，L与H之间满足0.3≤L/H≤0.8。由于在每个燃烧做功冲程后，中心电极顶端至内密封垫圈之间的废气难以排出，在新的混合气被压入预燃室时，残留的废气会冲淡预燃室内混合气的浓度，使原本稀薄的混合气的更加稀薄，导致不能点燃混合气。当满足上0.3≤L/H≤0.8关系式时，中心电极顶端7至内密封垫圈6的距离相对较短，残留的废气对新压入预燃室内混合气浓度的影响较小，因此混合气的点燃成功率较高。

通过调整绝缘体2的位置和预燃室帽8的结构，分别制作L/H比值不同的预燃室火花塞试验样件。分别将预燃室火花塞试验样件装入一台1.6L排量的试验室发动机1号缸。试验室发动机以3000rpm全负荷运行，并调整1号缸的过量空气系数λ，使之接近1.2，利用离子电流监测此时火花塞的点火成功率和燃烧情况。将点火成功率为100%且燃烧情况优等的结果评价为优等，用符号“◎”表示；将点火成功率为100%且燃烧情况中等的结果评价为合格，用符号“○”表示；将点火成功率为99.5以下的结果评价为不合格，用符号“△”表示；试验结果如附表1所示。

用垂直于中心轴Z、并通过中心电极顶端7的平面X1截取预燃室，将预燃室分为前预燃室10和后预燃室11，设前预燃室10体积设为V1，后预燃室11体积设为V2。当V1与V2之间满足1.9≤V1/V2≤4.1时，点燃的成功率最高。

由于前预燃室10内燃烧后的废气容易通过喷孔9排出，新的混合气也容易通过喷孔9被压入前预燃室10内；而后预燃室11内的废气却难以排出，新的混合气也难以被压入后预燃室11内。因此通过增加和控制前预燃室10与后预燃室11体积的比值，来增大前预燃室10的体积，以增大预燃室中的有效体积，从而提高混合气中的燃气浓度，增加点燃成功率，提高火花塞的点火性能。通过大量试验，证实1.9≤V1/V2≤4.1时，点燃成功率最高。

通过调整绝缘体2的位置和预燃室帽8的结构，分别制作V1/V2比值不同的预燃室火花塞试验样件。分别将预燃室火花塞试验样件装入一台1.6L排量的试验室发动机1号缸，试验室发动机以3000rpm全负荷运行，并调整1号缸的过量空气系数λ，使之接近1.2，利用离子电流监测此时火花塞的点火成功率和燃烧情况。将点火成功率为100%且燃烧情况优等的结果评价为优等，用符号“◎”表示；将点火成功率为99.5以下的结果评价为不合格，用符号“△”表示；试验结果如附表2所示。

如图3至5所示, 预燃室帽8为半球壳，多个喷孔9均布在预燃室帽8上，在本实施例中设置有6个喷孔9。喷孔直径为d，当0.8mm≤d≤1.2mm时，保预燃室与发动机燃烧室之间有足够的流通面积，以便混合气能够快速喷向预燃室。预燃室燃烧气通过喷孔9喷射到发动机燃烧室更大的范围，使得发动机燃烧室内的混合气能够同步燃烧做功，以提高发动机效率。

每个喷孔轴线Y与垂直于中心轴Z的平面X3之间夹角为α，制作不同α角度的预燃室火花塞试验样件。将预燃室火花塞试验样件装入一台1.6L排量的试验室发动机1号缸，试验室发动机以3000rpm全负荷运行，并调整1号缸的过量空气系数λ，使之接近1.8，利用离子电流监测此时火花塞的点火成功率和燃烧情况。将点火成功率为100%且燃烧情况优等的结果评价为优等，用符号“◎”表示；将点火成功率为99.5以下的结果评价为不合格，用符号“△”表示；试验结果如附表3所示。

当38°≤α≤44°时，混合气经喷孔9能够快速喷向中心电极顶端7，快速提高中心电极顶端7处的混合气浓度，提高点燃成功率。

喷孔轴线Y偏离中心轴Z距离（喷孔轴线Y与中心轴Z空间最短距离）为c，当0.5mm≤c≤1.5mm时，此时混合气经喷孔9被压入预燃室后可以产生旋流，使靠近预燃室内壁处的混合气浓度升高，确保有足够的混合气浓度，保证混合气被成功点燃，进而形成射流点燃发动机燃烧室的混合气。

本发明还涉及一种发动机，包括发动机燃烧室，采用上述带有预燃室的火花塞，适应于稀薄燃烧环境。应用于小型化的高速汽车发动机，能够降低发动机尾气中有害气体，满足排放法规的要求。

进一步地，将发动机燃烧室体积设为Vc，预燃室体积与发动机燃烧室体积之间满足0.005≤(V1+V2)/ Vc≤0.02。当满足上述关系式时，预燃室点火系统能够实现优秀的燃烧效果。具体而言，当预燃室的体积(V1+V2)与发动机燃烧室的体积Vc之比值偏小时，预燃室的引燃效果不佳，喷射动能不足，燃烧系统的燃烧效率不佳；当预燃室的体积(V1+V2)与发动机燃烧室的体积Vc比值偏大时，预燃室内部体积过大，难以实现足够的混合气浓度。

进一步地，0.002≤V2/Vc≤0.01。满足上述关系式时，预燃室点火系统的燃烧效果进一步提升。

综上所述，本发明的有益效果为：通过控制中心电极顶端与内密封垫圈之间的距离和后预燃室的体积，以减少预燃室内残留的废气，进而减小残留废气对新压入预燃室内混合气浓度的影响，提高预燃室内混合气的点燃成功率。通过控制预燃室体积与发动机燃烧室体积的比值，提高预燃室燃烧混合气体的喷射动能，使燃烧混合气体通过喷孔喷射到发动机燃烧室更大的范围，使得发动机燃烧室内的混合气能够同步燃烧做功。既提高了点火可靠性，又保证发动机燃烧室内的混合气能够充分燃烧，提高了发动机效率。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应该由各权利要求限定。

Claims (5)

1. 一种带有预燃室的火花塞，包括：绝缘体（2）、中心电极（5）、金属壳体（3），内密封垫圈（6）及预燃室帽（8），内密封垫圈（6）设置在绝缘体（2）与金属壳体（3）之间，绝缘体（2）、金属壳体（3）、内密封垫圈（6）及预燃室帽（8）形成的空间为预燃室，预燃室通过喷孔（9）与发动机燃烧室相通，发动机燃烧室的混合气通过喷孔（9）压入预燃室，中心电极（5）设置在预燃室内；其特征在于：将中心电极顶端（7）到预燃室帽（8）的顶端靠近中心电极一侧的距离设为L，将内密封垫圈（6）与绝缘体（2）之间的交点至预燃室帽（8）的顶端靠近中心电极一侧的距离设为H，L与H之间满足0.5≤L/H≤0.8；不少于2个的喷孔（9）均布在预燃室帽（8），喷孔直径为d，0.8mm≤d≤1.2mm；喷孔轴线（Y）与垂直于火花塞中心轴（Z）的平面之间夹角为α， 38°≤α≤44°；用垂直于火花塞中心轴（Z）并通过中心电极顶端（7）的平面X1截取预燃室，将预燃室分为前预燃室（10）和后预燃室（11），设前预燃室（10）体积设为V1，后预燃室（11）体积设为V2，V1与V2之间满足1.9≤V1/V2≤4.1。

2.根据权利要求1所述的带有预燃室的火花塞，其特征在于：中心电极顶端（7）两端与作为侧电极的金属壳体（3）或预燃室帽（8）之间形成宽度相同的放电间隙（12），在中心电极顶端（7）的两端均能够产生电火花。

3.一种发动机，包括发动机燃烧室，其特征在于：采用权利要求1或2任意一项所述带有预燃室的火花塞。

4. 根据权利要求3所述的发动机，其特征在于：将发动机燃烧室体积设为Vc，预燃室体积与发动机燃烧室体积之间满足0.005≤(V1+V2)/ Vc≤0.02。

5.根据权利要求4所述的发动机，其特征在于：0.002≤V2/Vc≤0.01。