CN117693874A - 具有小的电极间距和至少部分地负的火花位置的火花塞 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种火花塞(1)，其具有纵轴线，该火花塞具有：·壳体(2)，该壳体具有沿着火花塞纵轴线的钻孔以及燃烧室侧的端侧(27)，·至少部分地布置在壳体(2)内的绝缘体(3)，其中，绝缘体具有绝缘体脚部，该绝缘体脚部从绝缘体(3)的燃烧室侧的端面延伸直至绝缘体脚部缩窄部，·至少部分地布置在绝缘体(3)内的中心电极(4)，以及·至少一个接地电极(5)，该接地电极布置在壳体(2)处，其中，至少一个接地电极(5)和中心电极(4)如此布置，使得至少一个接地电极(5)与中心电极(4)构成点火间隙(54)，其中，点火间隙(54)的宽度通过中心电极(4)相对于至少一个接地电极(5)的电极间距来给定，·其中，中心电极(4)相对于至少一个接地电极(5)的电极间距不大于0.4mm，并且点火间隙(54)至少部分地构造在壳体(2)内。
Description
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1的火花塞。特别地，按照本发明的火花塞适合于在用氢气运行的马达中使用。
背景技术
到目前为止，车辆、如例如乘用车或载重汽车通常利用内燃机来驱动，该内燃机使用汽油或柴油作为动力燃料。越来越多地存在移动式的和固定式的内燃机，其利用天然气或氢气作为动力燃料。在此，如在汽油运行的内燃机中那样，即使在氢气运行的内燃机中也必须对空气燃料混合物进行外源点火。为此，典型地使用火花塞。
在氢气运行的内燃机中，通常设定非常稀薄的空气燃料混合物(λ＞1.8)，以便满足合法的排放预设。连同氢气的低的混合物热值，由此产生了较高的电荷密度并且对应地也产生了在点火时刻的较高的压力。就内燃机中的氢气燃烧而言的另外的特殊性在于自燃温度与最小所需的点火能量之间的共同作用。由此得到的是，对于在氢气运行的内燃机中的使用而言需要“冷的火花塞”、也就是说需要具有非常低的热值的火花塞。根据博世命名法，这意味着火花塞优选具有小于或等于3的热值。
到目前为止所已知的火花塞通常在汽油运行的内燃机中的运行方面进行优化，并且因此在氢气运行的内燃机中使用时不适合于应用或者说提供了较差的性能。
发明内容
对应地，本发明的目的是提供一种火花塞，该火花塞满足在氢气运行的内燃机中使用时对火花塞的要求。
这种目的在开头所提及的类型的按照本发明的火花塞中通过下述方式来实现，即：中心电极相对于至少一个接地电极的电极间距不大于0.4mm，并且点火间隙至少部分地构造在壳体内。
带有纵轴线的按照本发明的火花塞具有壳体，该壳体沿着该纵轴线具有钻孔，其中，壳体由于钻孔而具有内侧和外侧。壳体具有燃烧室侧的端侧。绝缘体至少部分地布置在壳体内。绝缘体沿着其纵轴线具有钻孔。绝缘体在其燃烧室侧的端部处具有燃烧室侧的端面和绝缘体脚部。绝缘体脚部从绝缘体的燃烧室侧的端面延伸直至绝缘体脚部缩窄部(Isolatorfuβkehle)。绝缘体脚部缩窄部形成绝缘体脚部与绝缘体座之间的过渡部。绝缘体利用这种绝缘体座来放置在壳体上。中心电极至少部分地布置在绝缘体内。中心电极的燃烧室侧的端部例如从绝缘体伸出。火花塞也具有至少一个接地电极，该接地电极布置在壳体处，其中，至少一个接地电极和中心电极如此布置，使得至少一个接地电极与中心电极构成点火间隙。在此，点火间隙的宽度通过中心电极相对于至少一个接地电极的电极间距来得到。
按照本发明设置了，点火间隙具有不大于0.4mm的电极间距。这具有的优点是，对于点火而言需要较低的电压，并且很少出现随火花塞的运行时间的电极间距增加。因为壳体内的结构空间必然有限，所以通过较小的电极间距此外有利地得到下述可能性，即：电极和因此点火间隙也至少部分地布置在壳体内。由此得到的优点是，电极不会如此程度地伸入到燃烧室中并且因此从燃烧室中吸收较少的热量。因此得到了，火花塞总体上吸收较少的热量并且是冷的火花塞，从而避免了不希望的自燃。这两个按照本发明的特征的这种组合因此特别有利。
本发明的另外的有利的设计方案是从属权利要求的主题。
以有利的方式，电极间距例如不大于0.2mm、尤其不大于0.15mm。电极间距越小，则用于产生点火火花的电压需求就越低。
也有利的是，电极间距为至少0.05mm、尤其不小于0.1mm。因此得到了电极间距不会过短。非常小的电极间距在火花塞生产中对精确性提出了特别的挑战。与在较大的电极间距的情况下相比，电极点火面的尽可能平行的定向的偏差在较小的电极间距的情况下具有较大的影响、如例如点火面的不均匀的磨损。针对电极间距的下限因此是用于一方面用来降低点火电压需求和磨损的较小的电极间距与另一方面在火花塞生产时针对点火面相对于彼此的定向的均匀的良好质量的合理耗费的良好折中。
在按照本发明的火花塞的另外的有利的设计方案中，点火间隙具有至少0mm且最大-15mm、尤其不小于-1mm和/或不大于-4mm的相对于壳体的燃烧室侧的端侧的间距。在此，垂直于火花塞的纵轴线由壳体的燃烧室侧的端侧所撑开的平面是具有值为0mm的参考平面。距参考平面的间距朝火花塞的背离燃烧室的端部的方向越来越多地为负值并且朝燃烧室的方向为增大的正值。
点火间隙是接地电极与中心电极之间的容积，该容积在电极的对置的点火面彼此重叠的投影之间得到。也就是说，中心电极的点火面投影到接地电极的点火面上，反之亦然。这两个投影所扫过的体积是点火间隙的容积。在此，容积在一个维度方面通过点火面来界定，并且在其他维度方面通过点火面彼此所投影的重叠来界定。从点火间隙的燃烧室侧的端部到壳体的燃烧室侧的端侧来测量该间距。
点火间隙相对于壳体的燃烧室侧的端侧的间距至少为0mm这一特征意味着，点火间隙完全布置在壳体内，即火花塞具有中性或者说负的火花位置。这具有的优点是，电极尽可能远地从燃烧室中拉出并且因此从燃烧室中发生的燃烧过程中吸收尽可能少的热量。因此能够获得尽可能冷的火花塞。
针对尽可能冷的火花塞的另外的有利的措施是将绝缘体脚部设计得尽可能短。已经证实为有利的是，绝缘体脚部具有不长于7mm、尤其不长于4mm的长度。在此，平行于火花塞的纵轴线来测量绝缘体脚部的长度。
绝缘体脚部越短，则该绝缘体脚部就越少地突伸到火花塞的呼吸室中。火花塞的呼吸室用存在于燃烧室中的气体混合物来填充。绝缘体脚部越少地突伸到呼吸室中，则绝缘体脚部与热的气体混合物的接触面就越少，并且对应地会从气体混合物吸收越少的热量。
在另外的有利的设计方案中，中心电极从绝缘体伸出。在此，中心电极具有从绝缘体的燃烧室侧的端面直至中心电极的燃烧室侧的端部所测量的伸出尺寸。中心电极的伸出尺寸不大于6.0mm、尤其不大于4.0mm并且尤其不小于0.5mm、优选不小于1.1mm。
将伸出尺寸限定到最大长度6.0mm具有的优点是，中心电极不会过大幅度地突伸到呼吸室中并且因此不会从呼吸室中的气体混合物吸收如此多的热量，从而火花塞具有较小的热值。伸出尺寸的最小长度的优点是，在0.5mm的最小长度的情况下，相对于绝缘体的燃烧室侧的端面的间距足够大，以便在关于中心电极侧向地沿径向设定接地电极时排除沿着绝缘体的表面火花放电(Gleitfunken)。
火花塞具有呼吸室，该呼吸室从壳体的燃烧室侧的端侧延伸直至壳体内的绝缘体脚部缩窄部，其中，中心电极和绝缘体脚部布置在呼吸室内，并且至少一个接地电极至少部分地、尤其完全地布置在呼吸室内。特别地，当将火花塞装入内燃机中时，呼吸室在通过壳体端侧垂直于火花塞的纵轴线所撑开的平面中与燃烧室处于接触之中。以有利的方式设置了，呼吸室具有不大于500mm3、尤其不大于300mm3并且尤其不小于50mm3的容积。在计算容积时并不一起计算电极和绝缘体的体积。
通过限定呼吸室容积得到的优点是，呼吸室不会过大并且因此能够良好地用新鲜的气体混合物来冲扫，因此在呼吸室中不会过多地累积通过点火所消耗的气体混合物。一方面由此避免了燃烧时所产生的颗粒、如炭黑的沉积，并且另一方面新鲜的气体混合物具有比所消耗的气体混合物要低的温度，因此通过呼吸室降低了到火花塞中的热量输入。
在一种有利的继续改进方案中设置了，绝缘体脚部和/或壳体的内侧具有下述轮廓，该轮廓通过具有非恒定的半径的倒圆部(Verrundung)来得到。优选倒圆部具有带有不同的支臂长度的两个支臂，该支臂长度通过倒圆部沿第一和第二方向的投影来得到，其中，方向和因此支臂长度也与彼此垂直。通过绝缘体脚部处和/或壳体的内侧处的这种倒圆部能够影响气体混合物的流动。优选如此选择轮廓以及倒圆部的位置，使得在两次点火过程之间良好地冲扫呼吸室。当然特别有利的是，绝缘体脚部的轮廓和壳体的内侧在呼吸室中彼此相配合。
在本发明的一种有利的继续改进方案中设置了，火花塞具有至少两个接地电极，这些接地电极与中心电极分别构成点火间隙，其中，多个接地电极关于中心电极相同或不同地布置，也就是说点火间隙能够相同或不同，但是优选所有点火间隙都满足这里所列举的有利的特征、如相对于壳体的燃烧室侧的端侧的位置以及电极间距。
通过火花塞具有多个接地电极，能够在多个接地电极上分配点火面的磨损，并且各个接地电极的点火面不需要如在唯一的接地电极的情况下那样多的、来自耐磨的材料的体积。火花塞的寿命得以提高。
在本发明的一种特别有利的设计方案中，至少两个接地电极对称地布置在壳体的内侧处。在此，火花塞的纵轴线是布置接地电极时的对称轴线。由于接地电极的对称布置而得到的技术的效果是，燃料空气混合物在呼吸室内非常均匀地流动，由此进一步有利于燃料空气混合物在火花塞中的良好的点燃和良好的点燃稳定性。
以有利的方式，至少一个接地电极和/或中心电极例如分别具有由与其余的电极不同的材料构成的点火面，它们与对置的电极形成点火间隙，并且一个或多个点火面由贵金属或贵金属合金构成、尤其由铂、铱、铑、钯、铼、金或由它们构成的合金构成。具有高的铱含量的合金这里是特别有利的，即铱是合金中的具有最高单个含量的元素。这些元素或者说具有这些元素的合金特别耐磨。
按照本发明的火花塞及其继续改进方案例如是下述氢气火花塞，该氢气火花塞设立用于在用包含氢气的燃料运行的马达中使用，并且将包含氢气的可点燃的燃料空气混合物点燃。燃料能够包括高达100％的氢气，即燃料能够仅是氢气或者是氢气-气体-混合物。
然而，按照本发明的火花塞不限于用氢气来运行。按照本发明的火花塞也能够用于天然气-或汽油内燃机。
此外，按照本发明的火花塞也能够在壳体的燃烧室侧的端侧处具有盖罩，由此该火花塞变成预燃室火花塞。
附图说明
其中：
图1示出了针对按照本发明的火花塞的一种实施例，
图2示出了针对按照本发明的火花塞的第二实施例。
具体实施方式
图1以半剖视图示出了火花塞1。火花塞1包括壳体2。绝缘体3置入到壳体2中。壳体2和绝缘体3分别沿着其纵轴线具有钻孔。壳体2具有外侧24和内侧23。壳体2的纵轴线、绝缘体3的纵轴线以及火花塞1的纵轴线x重合。中心电极4置入到绝缘体3中。此外，用于电接触火花塞的联接螺栓8延伸到绝缘体3中，通过该联接螺栓将火花塞1与电源电接触。火花塞1的背离燃烧室的端部形成电接触部。电接触部能够如在该实施例中那样一体式地又或者由多个组件构成。
绝缘体3典型地划分成三个区域：绝缘体脚部31、绝缘体主体和绝缘体头部。这三个区域例如通过不同的直径来区分。绝缘体脚部31是绝缘体3的面向燃烧室的端部。在绝缘体脚部31内布置有中心电极4。绝缘体脚部31这里完全布置在壳体2内。绝缘体脚部31通常具有绝缘体3处的最小的外直径。绝缘体脚部这里具有最大7mm的长度81c。
绝缘体主体邻近于绝缘体脚部31布置，该绝缘体主体通常完全被壳体2包围。绝缘体主体具有比绝缘体脚部31要大的外直径。绝缘体脚部31与绝缘体主体之间的过渡部构造为肩部、所谓的绝缘体座35。绝缘体座35与绝缘体脚部31之间的过渡部被称为绝缘体脚部缩窄部。
绝缘体头部邻近于绝缘体主体的背离燃烧室的端部并且形成绝缘体3的背离燃烧室的端部。绝缘体头部从壳体2伸出。绝缘体头部的外直径处在绝缘体脚部31与绝缘体主体的外直径之间，其中，所述区域典型地在其长度上具有并不恒定的外直径，而外直径能够变化。
壳体2在其内侧处具有支座25。绝缘体以其肩部或者说绝缘体座35放置在壳体座25上。在绝缘体座35与壳体座25之间布置有内密封部10。
电阻元件7在绝缘体3中处在中心电极4与用于电接触火花塞的联接螺栓8之间。电阻元件7将中心电极4与联接螺栓8导电地连接起来。电阻元件7例如构造为由第一接触层7a、电阻层7b和第二接触层7a构成的层系统。电阻元件的层通过其材料组成和由此引起的电阻来区分。第一接触层7a和第二接触层7a能够具有不同的或相同的电阻。
在该实施例中，在壳体2的内侧23处，两个接地电极5分别伸入到钻孔52中，从而接地电极5沿径向从壳体内侧23沿着壳体2的纵轴线X伸入到钻孔中。接地电极5和中心电极4共同构成相应的点火间隙54。中心电极与相应的接地电极之间的相应的点火间隙沿径向相对于纵轴线x延伸。相应的点火间隙54的宽度是电极间距并且处在0.05mm至0.4mm的范围中。钻孔52从外侧24通过壳体壁延伸直至壳体2的内侧23。
替代地，两个接地电极5也能够布置在壳体2的燃烧室侧的端侧27处。
替代地，火花塞1也能够具有超过仅一个或超过两个接地电极5。
在按照图1的这种实施例中，在中心电极4与两个接地电极5之间分别存在点火间隙54。在此，中心电极4的相应的点火面的投影分别与接地电极5并不完全重叠。点火间隙的燃烧室侧的端部连同中心电极4的燃烧室侧的端面处在垂直于纵轴线x的平面中。点火间隙相对于由壳体2的燃烧室侧的端侧27垂直于纵轴线x所撑开的平面的间距81a这里大于0并且等于或小于-15mm。
中心电极4从绝缘体脚部31伸出并且具有至少0.5mm至最大6.0mm的伸出尺寸81b。
壳体2具有杆部。在该杆部处构造有多棱边21、收缩凹槽和螺纹22。螺纹22用于将火花塞1拧入到马达中。
壳体壁中的钻孔52构造在螺纹22的区域中。在此，用于接地电极5的钻孔52和因此接地电极5也能够布置在螺纹22的区域中的每个任意的高度上。根据接地电极5在螺纹22的区域中的位置，对应地中心电极4并且绝缘体脚部31随着该中心电极也或多或少程度地突伸到呼吸室81里面。根据火花塞1的所期望的使用目的，能够选择钻孔在螺纹22的区域中的位置以及接地电极5在壳体2的内侧23上的位置。
钻孔52例如分别布置在加深部51、如例如锥状或圆形的凹槽中。在此，壳体2在加深部中的外直径小于螺纹22的根径。
加深部51例如能够通过在制造火花塞1时对壳体2的冲压来形成。在此，不仅减小了壳体2在加深部51的区域中的外直径，而且也减小了壳体2在加深部51区域中的内直径，从而在壳体内每个加深部51都形成有突起26。
在壳体2内得到具有容积的呼吸室81。呼吸室81从壳体的燃烧室侧的端侧27延伸直到壳体2里面并且在壳体2内延伸直至邻近绝缘体座35的绝缘体脚部缩窄部，该绝缘体座放置在壳体座25上。壳体2与绝缘体3之间的中间空间在此处借助于内密封部10来气体密封地密封。在计算呼吸室容积时减去接地电极5、中心电极4以及绝缘体脚部31的体积。呼吸室81的容积为最大500mm3。
壳体2或用于接地电极5的钻孔52因制造而可能具有凹槽或划痕，由此产生表面粗糙度。当在壳体2之处或者说之中通过车削工艺来加工钻孔时例如出现凹槽和划痕，在该车削工艺中将材料从壳体2去除。
图2示出了按照本发明的火花塞1的第二实施例。该实施例与第一实施例区别在于接地电极5的布置方式。在该实施例中，接地电极5作为关于中心电极4的所谓的顶盖式电极布置。中心电极4与接地电极5之间的点火间隙54平行于纵轴线x延伸。点火间隙54的宽度是平行于纵轴线x的电极间距并且处在0.05mm至0.4mm的范围中。
轴向的点火间隙54的燃烧室侧的端部由接地电极5的点火面来规定。相应地，对点火间隙54相对于由壳体2的燃烧室侧的端侧27垂直于纵轴线x所撑开的平面的间距81a进行测量。
这里未被示出、但是第二接地电极也是可行的，该第二接地电极侧向于中心电极4布置并且因此沿径向相对于纵轴线x构造点火间隙54。
Claims (11)
1.火花塞(1)，其具有纵轴线，该火花塞具有：
·壳体(2)，该壳体具有沿着所述火花塞纵轴线的钻孔以及燃烧室侧的端侧(27)，
·至少部分地布置在所述壳体(2)内的绝缘体(3)，其中，所述绝缘体具有绝缘体脚部(31)，该绝缘体脚部从所述绝缘体(3)的燃烧室侧的端面延伸直至绝缘体脚部缩窄部，
·至少部分地布置在所述绝缘体(3)内的中心电极(4)，以及
·至少一个接地电极(5)，该接地电极布置在所述壳体(2)处，其中，所述至少一个接地电极(5)和所述中心电极(4)如此布置，使得所述至少一个接地电极(5)与所述中心电极(4)构成点火间隙(54)，其中，所述点火间隙(54)的宽度通过所述中心电极(4)相对于所述至少一个接地电极(5)的电极间距来给定，
其特征在于，
所述中心电极(4)相对于所述至少一个接地电极(5)的电极间距不大于0.4mm，并且所述点火间隙(54)至少部分地构造在所述壳体(2)内。
2.根据权利要求1所述的火花塞(1)，其特征在于，所述电极间距不大于0.2mm、尤其不大于0.15mm。
3.根据权利要求1或2所述的火花塞(1)，其特征在于，所述电极间距为至少0.05mm、尤其不小于0.1mm。
4.根据前述权利要求中任一项所述的火花塞(1)，其特征在于，所述点火间隙(54)具有大于0mm且最大为-15mm、尤其不小于-1mm和/或不大于-4mm的相对于所述壳体(2)的燃烧室侧的端侧(27)的间距(81a)，其中，垂直于所述火花塞(1)的纵轴线x由所述壳体(2)的燃烧室侧的端侧(27)所撑开的平面是具有值为0mm的参考平面，并且距所述参考平面的间距(81a)朝所述火花塞(1)的背离燃烧室的端部方向越来越多地为负值。
5.根据前述权利要求中任一项所述的火花塞(1)，其特征在于，所述绝缘体脚部(31)具有平行于所述火花塞(1)的纵轴线x所测量的长度(81c)，该长度不长于7mm、尤其不长于4mm。
6.根据前述权利要求中任一项所述的火花塞(1)，其特征在于，所述中心电极(4)从所述绝缘体(3)伸出，并且，所述中心电极(4)的、从所述绝缘体(3)的燃烧室侧的端面直至所述中心电极(4)的燃烧室侧的端部所测量的伸出尺寸(81b)不大于6.0mm并且尤其不小于0.5mm。
7.根据前述权利要求中任一项所述的火花塞(1)，其特征在于，所述火花塞(1)具有呼吸室(81)，该呼吸室在所述壳体(2)内从所述壳体(2)的燃烧室侧的端侧(27)延伸直至所述绝缘体脚部缩窄部，其中，所述中心电极(4)和所述绝缘体脚部(31)布置在所述呼吸室(81)内，并且所述至少一个接地电极(5)至少部分地、尤其完全地布置在所述呼吸室(81)内，并且所述呼吸室(81)具有不大于500mm3、尤其不大于300mm3、并且尤其不小于50mm3的容积。
8.根据前述权利要求中任一项所述的火花塞(1)，其特征在于，所述绝缘体脚部(31)和/或所述壳体(2)的内侧(23)具有下述轮廓，该轮廓通过具有非恒定的半径的倒圆部来得到。
9.根据前述权利要求中任一项所述的火花塞(1)，其特征在于，所述火花塞(1)具有至少两个接地电极(5)，这些接地电极与所述中心电极(4)分别构成点火间隙(54)，其中，尤其所述接地电极(5)对称地围绕所述中心电极(4)布置。
10.根据前述权利要求中任一项所述的火花塞(1)，其特征在于，所述至少一个接地电极(5)和/或所述中心电极(4)分别具有点火面，它们与对置的电极形成所述点火间隙(54)，并且一个或多个点火面由贵金属或贵金属合金构成、尤其由铂、铱、铑、钯、铼、金或者由它们构成的合金构成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的火花塞(1)，其特征在于，所述火花塞(1)是氢气火花塞，其设立用于在用氢气运行的马达中使用并且将包含氢气的可点燃的燃料空气混合物点燃。
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