CN1402898A - 内燃机用的点火装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的内燃机用的点火装置涉及电技术，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。它既可以用于新型内燃机，也可以用于使用中的旧型内燃机的改进。
                       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，在需要的时间瞬间产生电火花，而电火花是借助电极间火花间距的高压击穿而形成的。
大多数火花塞的必须的元件是壳体、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：触发的位置，方法和时间。选择触发时间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好地发现，而在高转数时可能导致漏点烯。
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，然后向着所有方向较均匀地延伸。火焰扩展路径的延长提高了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的(热动力学的)失去平衡。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瞬时在气缸内阻塞，它导致扭矩损失，直至内燃机完全停止。
还公开了“开放”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，它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(ACCCCP №1778842，分类号：H01 T 13/00 1981和日本专利№6-283250，分类号：H01 T 13/20 1994)技术方案的火花塞不能产生显著的火焰，因为燃料充入的体积太小。
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”，它降低了新充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，其火花形成发生在环形间隙的任意位置。这样就导致火焰的偶然的定向性和不对称性，这是不希望的。
现在我们讨论触发的方法，更确地说，供给至火花塞电能的特点。
在传统的点火装置中，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至火花塞。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了点火的稳定性。
还公开了直接安装在火花塞上的点火线圈的使用(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。这样就给出了高的点火稳定性。
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。
在技术本质上与上述最接近一种内燃机用的点火装置，它具有火花塞，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，点火装置还设有电能的电容存储器(美国专利№5371436，分类号：315/58，1994)。
在这种结构中，作为电容存储器使用了电容器，它可以改善点火特性。
电容器使点火装置的工作独立于电能源的特点。由于电容器和火花塞极低的电感和电阻，在火花间隙集聚电能的放电历时为数十毫微秒。
增加火花的瞬时功率提高了点火的稳定性，这时扩大了燃料混合物的富度范围。此外，降低了火花塞电极的电磨蚀。
上述结构的缺点为：
-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能的有效系数不超过20％。
-火花塞的结构不允许辐射能和冲击波带给点火益处，因为在燃烧室的空间内分散；
-极低的火焰效应。
在技术本质上与上述装置最接近的是一种火花塞，它具有壳体，带有中心电极的绝缘子，以及固定在壳体上的侧电极，它与中心电极形成火花间隙，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)。
上述结构的缺点是壳体吸收了太大量的热能，它降低了效率。
                     本发明的公开
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提供一种内燃机用的点火装置，它具有火花塞，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以及固定在火花塞上的电能的电容存储器包围，按照本发明，其中的火花塞的壳体制成由帽套和基座的形式，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的槽，而且帽套由低热传导性和催化性能的材料制造。
优选地，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。
                    附图的简要说明
本发明的内燃机用的点火装置的要点结合下面附图予以说明，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示出在使用本发明点火装置情况下，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图。
                   本发明的最佳实施例
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形状组合的壳体，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上和与中心电极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它具有大的经济效益。
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须的。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。
在把高电压供至点火装置时，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增高。
通常，火花间隙7的大小这样选择，使击穿发生在高压电源集聚30-70％的电能之后。
在火花间隙7击穿时，产生电容器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的电阻非常小，实际上存储在电容器1内的全部电能排出至火空间隙7内。
大部分火花的能量进入辐射和形成冲击波，但由于有帽套2，使其有利的结果(燃料的燃烧准备)保留下来。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漏流带走。
在火花间隙内击穿之后形成火花槽，它随着放电电流的结束转变为火焰球，它被帽盖2良好地覆盖，避开了燃料混合物的涡流。在数百微秒(microsec)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阶段中吸收小量的热能。
                      工业的可行性
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，它经常是洁净没有积碳的。
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，这时产生强烈的气体形成。这种局部的“微气候”有利于提高点火的稳定性。
在本发明的内燃机的点火装置中，火花塞在保持高寿命的同时，达到了稳定点火条件下创记录的火焰长度。电容器1加强了火花的瞬时强度，这时稍稍提高了电磁辐射。
本发明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，降低在城区汽油的消耗达20％以及在速度150km/h路线上达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，它具有火花塞，包括壳体，带有中心电极(5)的绝缘子和固定在壳体上并与中心电极(5)的端面(8)形成火花间隙(7)的侧电极(6)，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)以及固定在火花塞上的电能的电容存储器(1)包围，其特征在于：所述的火花塞的壳体制成帽套(2)和基座(3)的形式，而且在所述的帽套(2)中设有内部的向外扩展的锥表面(9)和固定侧电极(6)的槽(10)，而且所述的帽套(2)由低热传导性和催化性能的材料制造。
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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