TWM575056U - Internal combustion engine flame core (pre-combustion chamber) spark plug - Google Patents

Abstract

一種內燃機火焰核心式(預燃室)火星塞，綜觀現今在各種內燃機使用中的火星塞設計，其接地電極設計為單一或多電極，接地電極配置於中心電極正上方或側邊，接地電極多為實心細長板狀設計，由於電極的消焰及阻斷作用，抑制了燃燒室內火焰核心的成長及火焰與混合氣的接觸面積，本新型火星塞包括中心電極，絕緣陶瓷，金屬外殼，金屬外殼連接有對應中心電極的接地電極，該對應部位接地電極上設置有渦流式噴口，渦流式噴口形成一預燃室，中心電極與接地極形成的電弧，直接在預燃室中點燃混合氣，穩定的形成火焰核心，特別適用於現今設計趨向稀薄燃燒，高壓縮比缸內直噴或使用氣體燃料的內燃機，藉由渦旋流式噴口使火焰擴散更快速，提高點火成功率，有效提高內燃機能量轉換效率，另本新型火星塞將中心電極設置於具有火山口式的絕緣陶瓷中心內，其目的為使中心電極與絕緣陶瓷連接部產生積碳時，火星塞具有自我清潔效用。

Description

內燃機火焰核心式(預燃室)火星塞

本創作係有關於一種內燃機火焰核心式(預燃室)火星塞，特別是涉及用於稀薄燃燒，渦輪增壓，高壓縮比，缸內直噴或氣體燃料的火焰核心式(預燃室)火星塞。

現今需要使用火星塞點火系統的內燃機，普遍的應用在各種汽機車輛；交通運輸工具；各種產業設備機械動力。高壓點火系統使用高壓線圈產生高電壓，再透過高壓導線、導電彈簧、絕緣套管或火星塞蓋。將高壓電經由火星塞或耐高溫的點火電極與接地極產生電弧。電弧的高溫點燃燃燒室中的混合氣體，產生燃燒爆炸推動活塞產生推力，內燃機百年來的演變，至今已產生了許多先進的ECU電子噴射控制，直接點火等等技術，環保及低耗能的全球需求，使的現今內燃機製造業者，特別是使用於交通工具的汽機車輛引擎，越來越趨向於小排氣量，高壓縮比，稀薄燃燒的設計，缸內直噴的分層燃燒加大了燃燒室內的擾動，燃料的選擇也由汽油，增加了LPG CNG或甲醇燃料，基於不同的燃燒特性，火星塞在極為短暫的跳火時間內，需要有效率的點燃混合氣，在現今點火系統的技術背景 下，改良火星塞的結構，使點火效能符合當代內燃機的設計需求是迫切必要的，然而火星塞的設計除了在製造材質上有較好的演變，接地電極由單極或多極式改良，在結構設計上近百年來並無多大轉變，傳統式火星塞其接地電極設置於中心電極正上方者，接地電極一般使用一實心細長板狀金屬，當高壓電弧在點火間隙中產生時，接地電極阻斷了火焰核心的傳播，使點火效能受限制，另傳統式火星塞其接地電極設置於中心電極側邊或斜邊者，此種結構中心電極突出陶瓷部分較長，另外多個接地電極的設置使，火星塞的吸熱較快，低速行駛容易產生積碳，接地電極燒損快速，傳統接地電極設置於側邊的火星塞，電弧衝擊方向與火星塞中線垂直，不利於火焰散播至燃燒室中心，且其火焰核心直接暴露於高擾動的混合氣中，傳統式火星塞不利於現今，高動力輸出的引擎，例如渦輪增壓引擎，在渦輪作用時有較多的燃料供應，另外在缸內直噴，稀薄燃燒，分層燃燒這些現代的內燃機技術，使火星塞點火的嚴格需求更加重大，故需要將傳統火星塞結構加以改進，才能符合現代內燃機的點火需求。

現今的燃油電子噴射控制技術，已經能將空燃比控制在非常理想的狀態下。內燃機引擎的燃燒效能大幅提升，然而交通擁擠的環境下，使用中的汽機車輛長時間處於低速怠速，或短程行駛，當火星塞處於低溫工作或燃燒不完全時，便會在火星塞與混合氣接觸的表面，燃料或機油被碳化形成燻黑現象，燻黑現象造成中心電極與其包覆結合部分的陶瓷面，形成導電層，當高壓線圈產生高壓的同時，有一部分的點火電能，被洩漏 到接地金屬殼，便形成點火不良或失火現象，傳統火星塞無法預防此種，漏電的狀況產生，故需要設計一種在低溫狀態下，自我清潔電極端部燻黑現象的火星塞。

所述內燃機火焰核心式(預燃室)火星塞，為一種基於現今火星塞結構上的改良，包括中心電極，絕緣陶瓷，金屬外殼，金屬外殼連接有對應中心電極的接地電極，接地電極設置於中心電極之正上方，接地電極為細長板狀一端焊接於金屬殼體，並彎曲90度角後垂直於中心電極，在90度彎角處於板狀中間有圓形穿孔，傳統式火星塞在此彎曲處內側因阻斷火焰散佈，在此處通常有較多的積碳形成，圓形穿孔可以使火焰穿透，避免此處的積碳累積，接地極末端上連接有空心圓柱狀預燃室，預燃室外部設計成一封閉圓柱狀區域，可以容納少量混合氣穿透，當點火線圈產生高壓點火訊號，中心電極與接地極形成的電弧，能直接引燃在對應位置預燃室內的混合氣，混合氣在此封閉區域能有效穩定形成火焰核心，不受燃燒室內擾動氣流影響，預燃室內部設計為能使氣流旋轉並擴散的螺旋錐狀噴口，當此核心火焰膨脹時火焰流能在燃燒室內快速噴散，此種設計可以解決傳統火星塞實心板狀電極，阻斷火焰核心擴散的缺失，另外傳統接地電極設置於側邊的火星塞，電弧衝擊方向與火星塞垂直，不利於火焰散播至燃燒室中心，所述預燃室設計可以有效克服火焰被阻斷或消焰的缺失。

所述內燃機火焰核心式(預燃室)火星塞，中心電極設計為尖 端狀或針狀，此種設計符合尖端放電效應，尖端部分穩定成為電弧生成位置，可以減低材料的使用，更可大幅減小電極部分因燃燒的機油或燃料形成的各種殘留堆積物，針狀或尖端狀的中心電極底端，設置於具有火山口式的絕緣陶瓷底部中心內，與傳統式火星塞中心電極端部被陶瓷完全包覆不同，其目的在當中心電極底部與陶瓷接鄰部分，形成少量積碳時可以有較高的尖端局部溫度燒除表面積碳，另外當陶瓷表面燻黑形成接地漏電迴路時，中心電極表面與陶瓷火山口頂部可導電的積碳形成一跳火路徑，藉由跳火清除陶瓷面附著的積碳，阻絕了高壓線圈點火時漏電的路徑，此種設計更適用於現今的都市用車環境，短途代步的汽機車引擎使用。

所述內燃機火焰核心式(預燃室)火星塞，為解決傳統火星塞單極或多極式接地電極，在由中心電極產生電弧時，引弧的目標位置會在各電極間跳動，形成凌亂的火焰生成偏移，引擎運轉精緻度受影響，本新型創作其中心電極與接地極末端形成的跳火間隙組合，將中心電極尖端對應的跳火目標位置設計在空心圓柱體的圓周與接地極細長板連接處，亦即是中心電極的中心線與空心圓柱預燃室的圓心是偏置，此設置可以維持固定的電弧生成位置，燃燒室內點火核心可以穩定的在預燃室中，該連接處結構較強並藉由圓柱部的良好散熱，可以減緩接地極燒損速度，跳火間隙不因燒損而快速變大。

9‧‧‧六角鋼體

10‧‧‧螺牙銅體瓷心

11‧‧‧接地極末端預燃室空心螺旋錐狀噴口

12‧‧‧中心電極

13‧‧‧火山口狀凹槽絕緣陶瓷

14‧‧‧接地電極板90度彎角處圓形穿孔

15‧‧‧接地電極板

16‧‧‧本體

17‧‧‧鍍層螺紋

18‧‧‧瓷器絕緣體

19‧‧‧高壓線柱

X‧‧‧中心電極中心線

21‧‧‧尖端狀中心電極

22‧‧‧陶瓷圓周頂部

23‧‧‧絕緣陶瓷

24‧‧‧中心電極

25‧‧‧火山口狀陶瓷圓周

26‧‧‧絕緣陶瓷

27‧‧‧接地極末端預燃室空心螺旋錐狀噴口

31‧‧‧金屬殼

32‧‧‧接地電極板

33‧‧‧接地電極板90度彎角處圓形穿孔

34‧‧‧接地極末端預燃室空心螺旋錐狀噴口

35‧‧‧接地電極板

36‧‧‧接地極末端預燃室空心螺旋錐狀噴口

37‧‧‧接地電極板90度彎角處圓形穿孔

第1圖. 內燃機火焰核心式(預燃室)火星塞全圖

第2圖. 內燃機火焰核心式(預燃室)火星塞頭部剖面圖

第3圖. 內燃機火焰核心式(預燃室)火星塞頭部平面圖。

本創作係提供一種內燃機火焰核心式(預燃室)火星塞，中心電極與接地電極相關位置，如第1圖中接地極末端預燃室空心螺旋錐狀噴口11與中心電極12，兩者以中心線偏置方式安排，使中心電極的電弧目標固定在接地電極板15與接地極末端預燃室空心螺旋錐狀噴口11接合處，並維持跳火間隙約0.8~1.1mm，間隙可由接地電極板15彎曲度調整，此舉可穩定火焰生成部位，也避免了接地極末端預燃室空心螺旋錐狀噴口11的圓周壁面燒損，接地電極板15彎曲處設置接地電極板90度彎角處圓形穿孔14，此穿孔可安置於彎曲處上部或下部，經測試置於上部較有利於混合氣燃燒。

所述內燃機火焰核心式(預燃室)火星塞，中心電極與陶瓷絕緣實施方式，如第2圖.尖端狀中心電極21為尖端狀或針狀以貴金屬耐高溫材質製作，亦可使用銅鎳合金尖端以雷射焊接上銥金，鉑金等，尖端狀中心電極21為T字形結構由陶瓷絕緣管上方置入，再填充電阻粉密封劑，插入導電高壓線柱19，於燒結爐中以約900度高溫燒製，密封劑在熔融狀態時，將金屬桿押入使其完全末入後冷卻成型，絕緣陶瓷23在燒製時特別將端口塑形為一火山口狀，有較高之陶瓷圓周頂部22，由第3圖中的剖面圖可看出，中心電極24與火山口狀陶瓷圓周25間形成一凹谷狀，可以使中心電極24與火山口狀陶瓷圓周25間有隔隙，此隔隙距離需略小於跳火間隙，中心電極有較高的局部溫度，減少了積碳累積，或當此處陶瓷面產生微積碳， 形成與金屬殼體的接地迴路時，中心電極24的高壓電弧會跳往火山口狀陶瓷圓周25的表層積碳導體，使圓周頂部保持清潔狀態，達成電極末端自我清潔的效用，此種自潔作用在都市用車輛或短程行駛車輛，特別需要。

所述內燃機火焰核心式(預燃室)火星塞，接地電極實施方式如第3圖，接地電極板32與金屬殼31焊接為一體，再以治具彎曲成90度，接地電極端連接接地極末端預燃室空心螺旋錐狀噴口34，接地極彎曲處設置接地電極板90度彎角處圓形穿孔33，接地電極板32為細長板結構，第3圖中火星塞上視圖，接地極末端預燃室空心螺旋錐狀噴口36為空心圓柱形內部設有螺旋狀導槽，接地電極板35彎曲處之接地電極板90度彎角處圓形穿孔37，尺寸約為板寬之4分之1，接地電極板35整體結構使用一沖壓模具鍛造成形，材質使用鎳合金或耐爆燃衝擊之高強度耐高溫合金，接地極末端預燃室空心螺旋錐狀噴口34形狀並不限定於圓形，可以是多邊形狀或其他形狀，選用圓形乃考量，圓形在最小周長有最大截面積，在鍛製時亦不易產生局部應力，在燃燒室內亦不會有局部熱點，接地極末端預燃室空心螺旋錐狀噴口34內部渦漩噴口設置有多道放射狀導引槽，導引槽可以在火焰核發展時加速擴散，噴口可以依不同引擎設計成漸擴式，漸縮式，在接地極彎曲處上設置接地電極板90度彎角處圓形穿孔33，接地電極板90度彎角處圓形穿孔33可以使火焰不受阻斷，亦可以改進傳統火星塞在此彎曲處內側產生附著物或積碳的缺點，特別是機油燒損量較大的引擎，現今歐洲許多較環保節油的高馬力引擎，汽缸壁與活塞間隙較大，在引擎出廠時就會消耗機油，更需要此種火星塞設計。

Claims (5)

1. 一種內燃機火焰核心式(預燃室)火星塞，包含：一高壓線柱、一瓷器絕緣體、一六角鋼體、一螺牙銅體瓷心、一接地電極板，基本上由高壓線柱連結瓷器絕緣體連結六角鋼體連結螺牙銅體瓷心連結接地電極板組成，組件包含：螺牙銅體瓷心由中心電極及火山口狀凹槽絕緣陶瓷組成，接地電極板由接地極末端預燃室空心螺旋錐狀噴口及接地電極板90度彎角處圓形穿孔組成，以上零組件所構成之內燃機火焰核心式(預燃室)火星塞，由中心電極與接地極所形成的電弧，可直接在預燃室中點燃混合氣，穩定的形成火焰核心，藉由渦旋流式噴口使火焰擴散更快速，提高點火成功率，有效提高內燃機能量轉換效率，中心電極表面與陶瓷火山口頂部可導電的積碳形成一跳火路徑，藉由跳火清除陶瓷面附著的積碳，使火星塞具有自我清潔的效用。
2. 如請求項1所述之內燃機火焰核心式(預燃室)火星塞，內燃機火焰核心式(預燃室)火星塞接地電極為細長板狀一端焊接於金屬殼體，細長板狀金屬彎曲90度角後垂直於中心電極，在90度彎角處於板狀中間製成一圓形穿孔，此圓形穿孔可以使火焰穿透，避免此處的積碳累積。
3. 如請求項1所述之內燃機火焰核心式(預燃室)火星塞，接地電極為細長板狀一端焊接於金屬殼體，接地極末端上製成一空心圓柱狀預燃室，預燃室內部設計為能使氣流旋轉並擴散的螺旋錐狀噴口。
4. 如請求項1所述之內燃機火焰核心式(預燃室)火星塞，中心電極設計為尖端狀或針狀，針狀或尖端狀的中心電極底端，製成火山口狀凹槽的絕緣陶瓷，中心電極於底部中心內。
5. 如請求項1所述之內燃機火焰核心式(預燃室)火星塞，將中心電極尖端對應的跳火目標位置設計在空心圓柱體的圓周與接地極細長板連接處，亦即是中心電極的中心線與空心圓柱預燃室的圓周內側端。