CN1309129C - 内燃机用的点火装置 - Google Patents

Abstract

本发明的内燃机用的点火系统涉及电技术，更具体地说，涉及内燃机内轻燃料混合物的点火系统。本装置具有火花塞，它包括壳体，带有中心电极(5)的绝缘子(4)，侧电极(6)固定在壳体上并与中心电极(5)的端面(8)以及电能的电容存储器(1)形成火花间隙(7)。其中围绕火花间隙的空间被内部的向外扩展的壳体锥表面(9)包围，以及壳体具有帽套(2)和基座(3)的形状，而且上述帽套(2)是由低热传导性和催化性能的材料制成。本发明使有可能获得最大的扭矩效果和提高发动机的输出。

Description

内燃机用的点火装置

                       技术领域

本发明涉及电技术，更具体地说，涉及内燃机内轻燃料混合物的点火装置。本发明既可用于新型内燃机，也可以用于使用中的旧型内燃机的现代化。

                       背景技术

在内燃机内轻燃料混合物的引燃通常是借助火花塞实现的，火花塞，在引入内燃机的燃烧室内的电极之间，在需要的时刻产生电火花，而电火花是借助电极间火花间距的高压击穿而形成的。

大多数火花塞的必需的元件是壳体、绝缘子和电极。这时壳体一般带有螺纹以便在内燃机内安装火花塞。

在任何点火装置中，通常需要解决三个任务：引燃的位置，方法和时间。选择引燃时刻的任务在本发明中不讨论。

在内燃机中火花塞一般这样安装，使火花间隙出现在燃烧室内的室壁旁。广泛使用具有“开放”结构的火花塞。这时火花间隙对于燃料混合物的涡流的直接作用是开放的。已知，燃料混合物的涡流正是在燃烧室的室壁旁具有极高的速度。这样就导致两个严重的缺点。

首先，降低了点火的稳定性。在内燃机空转时此点能很明显，而在高转数时可能导致漏点火。

其次，燃烧室内的火焰按上述涡流的轨迹扩展。首先火焰沿螺线到达中心，然后向着所有方向相对均匀地延伸。火焰扩展路径的延长可提高内燃机对燃料辛烷值的敏感性。随着内燃机转数的提高，扭矩提前降低。

相对于中心不对称燃烧的存在导致活塞底部的气体压力瞬时(热动力学的)失衡。活塞随着载荷的提高开始越来越强烈地围绕支承点转动和短暂地在气缸内阻塞，这导致扭矩损失，直至内燃机完全停止。

还公开了“封闭”结构的火花塞，其火花间隙由于燃料混合物涡流的直接作用而封闭。

这种火花塞具有火焰效应，这允许克服上面指出的“开放”火花塞的缺点。

然而，它们按自身有效性彼此相差很大。例如，按照前苏联专利(AC CCCP №1778842，分类号：H01 T 13/00 1981和日本专利№6-283250，分类号：H01 T 13/201994)技术方案的火花塞不能产生显著的火焰，因为装入燃料的体积太小。

其它火花塞，例如，公开于美国专利(№3842819，分类号：123/169，1974，№3892991，分类号：313/138，1976)是过于“封闭”的，这降低了新装入半封闭腔内燃料混合物体积的可充填性，因而降低了点火的稳定性和火焰效应。

在俄国专利№2055432，分类号：H01 T 13/54，1996公开了带有共轴电极的火花塞，其火花形成可发生在环形间隙的任意位置。这就导致火焰的偶然的定向性和不对称性，这不是所希望的。

现在我们讨论引燃的方法，更确地说，供给火花塞的电能的特点。

在经典的点火装置中，作为高压电能源使用的是高压点火线圈，其能量储存在初级绕组的电感中。这种线圈的特点是尺寸和重量较大，因此被称为“重线圈”。

次级绕组的高压通常通过高阻电路供给火花塞。在火花间隙高压击穿之后火花电流限制在数十mA的水平和历时1-2msec。

这种较慢的供给电能至火花塞的方法降低点火的稳定性。

还公开了使用直接安装在火花塞上的点火线圈的方法(德国专利№3915113分类号：H01 T 13/00，1990)。这种结构具有一系列优点。线圈尺寸较小，因为它不再执行储存能量功能，而成为高压脉冲变压器。这样的线圈被称为“轻线圈”。在这种情况下脉冲时间可以缩短至微秒，而电能不会损失在高阻连接导线内。这样就给出很高的点火稳定性。

然而，这种解决方案在多气缸的内燃机中是非常昂贵的。此外，它不够可靠，因为来自火花塞的高电压和高温很难在线圈内兼容。

在技术本质上与建议的上述装置最接近的一种内燃机用的点火装置，具有火花塞，包括壳体，位于壳体内的电绝缘子，中心电极和壳体电极，这样上述电极形成火花间隙，还具有电能的电容存储器(美国专利№5371436，分类号：315/58，1994)。

在该结构中，作为电容存储器使用电容器，电容器可以改善点火特性。

电容器使点火装置的工作与电能源的特点无关。由于电容器和火花塞的电感和电阻极低，聚集在火花间隙中的电能的放电历时为数十毫微秒。

增加火花的瞬时功率可提高点火的稳定性，并可扩大燃料混合物的富度范围。此外，可降低火花塞电极的电磨蚀。

已知结构的缺点为：

-在电能短时放电时大部分电能消耗于辐射和形成冲击波。

实验表明，电容器通过低电感放电时火花的热效率不超过20％。

-火花塞的结构不允许辐射能和冲击波有助于点火，因为在燃烧室的空间内分散殆尽；

-极低的火焰效应。

在技术本质上与建议的上述装置最接近的一种火花塞，具有壳体，带有中心电极的绝缘子，以及固定在壳体上与中心电极形成火花间隙的侧电极，这时围绕火花间隙的空间被壳体内部的向外扩展的锥表面包围(前苏联专利AC.CCCP №1720115，分类号：H01 T 13/00，1992)。

已知结构的缺点是壳体吸收太大量的热能使其效率降低。

                       发明内容

本发明建议的内燃机用的点火装置结构的目的是达到最大的火焰效应和提高内燃机的效率。

达到本发明技术结果的方式是建立一种内燃机用的点火装置，该装置具有火花塞，包括壳体，带有中心电极的绝缘子和固定在壳体上与中心电极形成火花间隙的侧电极，其中围绕火花间隙的空间被内部的向外扩展的壳体锥表面包围，以及固定在火花塞上的电能的电容存储器按照本发明，其中的火花塞的壳体制成由帽套和基座组成的形式，而且在帽套中设有内部的向外扩展的锥表面和固定侧电极用的槽，而且帽套由低热传导性和催化性能的材料制造。

本发明的特征还在于帽套的锥表面的顶角为40-60°。

这样可以获得最充分的火焰效应，因为上述范围在减小或增大时，火焰效应降低至完全消失。

                       附图说明

下面结合附图对建议的内燃机用的点火装置的要点予以说明，附图中：

图1示出按照第一实施例的内燃机用的点火装置；

图2示出按照第二实施例的内燃机用的点火装置；

图3示出按照第三实施例的内燃机用的点火装置；

图4示出在带有“开放”火花塞的点火系统情况下，燃烧室内火焰的扩展特性；

图5示出在使用建议的点火装置情况下，燃烧室内火焰的扩展特性；

图6示出火焰长度与帽套锥面顶角的关系。

                      具体实施方式

内燃机用的点火装置包括电能的电容存储器1，例如固定在火花塞上的电容器，该电容器具有由帽套2和基座3形式组合的壳体，带有中心电极5的绝缘子4和侧电极6，侧电极6固定在基座3上并与中心电极5的端面8形成火花间隙7。

在帽套2内制成内部的向外扩展的锥表面9和侧电极6用的固定槽10。帽套的锥表面的顶角α为40-60°。

帽套2由低热传导性和催化性能的材料制造，例如科伐铁镍钴合金或不锈钢。

这样，当火焰球扩展至与帽套的锥表面接触时，可以减少火焰球的热量损失。

帽套2材料的催化性能可以消除炽热的点火。

帽套2可以制成各种改型结构和与基座3有不同的连接方法。

例如，图1的帽套2具有最普通的结构，但为使帽套2和基座3对接连接，需要普通的焊接工艺，例如用接触焊或激光焊。

又例如，图2的帽套2具有较复杂的结构，因为它具有圆筒形的环凸台11。因此帽套2可以用较普通的方法固定到基座3上，例如，用点焊或滚焊。

又例如图3的帽套2可以用薄壁管材相应的变形工艺制成。在批量生产的条件下这种方法具有很大的经济效益。

内燃机用的点火装置的工作方式如下：

在内燃机内安装点火装置。这时高压导线连接至电容器1。在这种情况下，点火时间的调节不是必需的。在内燃机中火花塞和相应电容器的数量可以是任意的，这里讨论一个装置的工作。

在内燃机的吸气和压缩冲程时，燃料混合物充填燃烧室内的空间(图中未示出)，该空间包括火花间隙区7。

在把高电压供给点火装置时，在火花塞的中心电极5上的电压将随着电容器1的电容充电引起的滞后而升高。

通常，火花间隙7的大小这样选择，使击穿发生在聚集高压电源的30-70％的电能之后。

在火花间隙7击穿时，发生电容器1的电容放电过程，它导致随后的再充电和再次放电等。通过火花间隙7的电流脉冲的形状类似于衰减的无线电脉冲。

考虑到电容器1和火花塞中心电极5的电阻极小，实际上存储在电容器1内的全部电能释放在火空间隙7内。

火花的大部分能量变成辐射和形成冲击波，但由于有帽套2，使其有利的结果(燃料的燃烧准备)得以保留。在火花间隙7区域内活化的燃料混合物没有被燃料混合物的涡流带走。

在火花间隙内击穿之后形成火花槽，此槽随着放电电流的结束转变为火焰球，为帽盖2很好地覆盖，避开了燃料混合物的涡流。在数百微秒内火焰球长大。当球的直径达到约7-9mm时火焰球爆炸。

由于帽套2的内部的扩展的锥表面9，形成很大长度的爆炸火焰(图5)。在这种情况下，帽套2自身在辐射、冲击波、火焰球和爆炸作用的全部阶段中吸收小量的热能。

进行过实验研究，以确定火焰长度L与帽套的锥表面顶角α的关系。

最佳的结果(L＝30mm)是在α＝40-60°时获得的(图6)。

应该指出，由于各种类型能量的作用，特别是冲击波对于帽套2的内表面的作用，该表面总是洁净没有积碳的。

在吸气和压缩冲程时，帽套2的热表面9以及火花塞的绝缘子3借助燃料混合物而冷却，这时发生强烈的气体形成。这种局部的“微气候”有利于提高点火的稳定性。

在建议的内燃机的点火装置中，火花塞在保持高寿命的同时，达到稳定点火条件下创记录的火焰长度。电容器1加强了火花的瞬时功率，这时电磁辐射稍微增加。

建议的装置高效的工作在各种型号的内燃机的大量试验中被证实。获得了下列结果：

1.借助在空转时燃料混合物的贫化，显著地减少了排气中的CO和CH的数量。

2.借助缩短燃料混合物在内燃机的燃烧室内的燃烧时间，它对燃料的辛烷值较小敏感。

3.借助提高内燃机在大载荷和大转数下的扭矩，在城区汽油的消耗降低达20％以及在速度150km/h路线上降低达30％。

4.显著地提高了汽车的动力学和适应性。

Claims (2)

1.一种内燃机用的点火装置，此装置具有火花塞，包括壳体，带有中心电极的绝缘子和固定在壳体上并与中心电极的端面形成火花间隙的侧电极，其中围绕火花间隙的空间被内部的向外扩展的锥表面包围，其特征在于所述的点火装置具有用于聚集电能的电容器，该电容器固定在火花塞上，而内部的向外扩展的锥表面制造在帽套上，帽套固定在火花塞的壳体上，而且在帽套中制成固定侧电极的槽，并且帽套是由具有低导热系数的合金制成的。

2.按照权利要求1的内燃机用的点火装置，其特征在于所述的帽套(2)的锥表面的顶角为40-60°。

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