專利名稱：火花點火式發(fā)動機及與其一起使用的火花塞的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型總的涉及一火花點火裝置，更確切地說，涉及一預燃室式火花塞。
背景技術(shù)：
廢氣排放和效率兩方面持續(xù)推進改進空氣和燃料混合物燃燒的技術(shù)。許多技術(shù)的改進控制空氣和燃料混合物?？諝夂腿剂匣旌衔锶紵倪M的某些實例，包括改進燃燒室設計、閥門端口和燃料或空氣流動，以及霧化過程。這些改進一般都是改進對燃料和空氣混合物的控制。
與狄塞爾循環(huán)發(fā)動機不同，火花點火式發(fā)動機也可通過火花的點火來控制燃燒動作。密封的火花塞顯示出以下所述的改進通過提高燃料及空氣的狀況和混合獲得的一改進，連同通過控制火花的點火獲得的一改進。密封的火花塞包括一環(huán)繞電極間隙的火花塞殼?；鸹ㄈ麣ば纬梢慌c燃燒室分離的點火室。一孔或多孔定位在火花塞殼內(nèi)，使點火室和燃燒室互連。點火室和火花塞殼將火焰中心與燃燒室內(nèi)的紊流隔開。當活塞壓縮燃燒室內(nèi)的空氣及燃料混合物時，至少一部分的空氣及燃料混合物通過諸孔到點火室內(nèi)。
在點火室內(nèi)，一火花致使空氣和燃料混合物燃燒產(chǎn)生一壓力上升。當點火室內(nèi)的壓力增長并超過燃燒室內(nèi)的壓力時，熱氣體通過每一孔到燃燒室內(nèi)并起作一點火火矩，提高燃燒室內(nèi)的燃燒率以減少未燃燒空氣和燃料混合物的質(zhì)量。于1992年4月21日發(fā)表的授予Ronald D.Richardson的美國專利5,105,780詳細說明了一個這樣的密封火花塞。
盡管已示出密封的火花塞來提高效率和減少排放物，但其它缺點趨于減少它們的使用。例如，密封的火花塞經(jīng)歷一溫度增加的環(huán)境，因此相對于傳統(tǒng)的火花塞其減少了爆炸裕度。已認識到突出深入燃燒室內(nèi)的密封的火花塞會導致預點火和其它爆炸問題。在一低含量空氣和燃料的混合物內(nèi)，跳過一電極和需要接地電極之間的電極間隙所需要的電壓，導致因電壓內(nèi)的中斷引起的一增加的電壓。增加的擊穿電壓需要電極和接地電極之間的一更大的電氣絕緣。增加的電氣絕緣通常意味著在連接到接地電極的一小室和冷卻環(huán)境之間增加一傳熱路徑。進一步加劇的磨損，通過火花塞殼的諸孔經(jīng)歷極端的溫度變化。熱氣體高速通過諸孔而退出點火室。這些高流速提高從熱氣體到火花塞殼的傳熱，從而降低密封的火花塞的使用壽命。此外，諸如用來將火花塞殼附連到火花塞的焊縫之類的阻礙會阻礙熱量從諸孔轉(zhuǎn)移。
本實用新型致力于克服一個或多個上述的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種火花點火式發(fā)動機和一種與其一起使用的火花塞，它們能夠減小或消除預點火和其它爆炸問題。
在本實用新型的一方面，一火花點火式發(fā)動機包括一氣缸體，其具有一頂表面和一其內(nèi)的氣缸鏜孔；一活塞可移動地定位在氣缸鏜孔內(nèi)；一具有一底表面的氣缸蓋附連到氣缸體；一燃燒室由氣缸鏜孔、活塞和氣缸蓋的底表面形成。一火花塞具有一電極、一火花塞殼、一形成一底部的一末端和孔部分，以及一絕緣體。火花塞的一部分定位在氣缸蓋內(nèi)。火花塞是一密封的結(jié)構(gòu)，其形成一具有一繭形結(jié)構(gòu)的點火室，以及火花塞的點火室基本上定位在基本上在氣缸蓋外部的燃燒室內(nèi)。
在本實用新型的另一實施例中，一火花塞包括一既是導電體又具有一熱阻的電極；一絕緣體，其可操作地定位在電極周圍，并在高溫環(huán)境下保持結(jié)構(gòu)整體性；一火花塞殼，其可操作地連接到電極并具有一絕緣區(qū)域、一連接區(qū)域和一末端及孔部分，末端和孔部分具有一形成繭形結(jié)構(gòu)的點火室；以及火花塞的點火室，其基本上定位在基本上在氣缸蓋外部的所述燃燒室內(nèi)。
通過使火花塞的點火室基本上定位在發(fā)動機燃燒室內(nèi)，可增加燃燒過程的速度。不過，使火花塞的點火室基本上定位在燃燒室內(nèi)，則會使得在燃燒室內(nèi)燃燒產(chǎn)生的熱量傳遞到火花塞的火花塞殼，為此，本實用新型的火花塞采用拋物線結(jié)構(gòu)的底部點火室，這樣，從燃燒過程中傳遞的熱量更容易地耗散，并且由于消除彎角，火花塞的結(jié)構(gòu)整體性因拋物線端部而提高，從而延長了火花塞的使用壽命。實驗已表明，該結(jié)構(gòu)將減小或消除預點火和其它爆炸問題，能使配時提早，甚至還進一步優(yōu)化發(fā)動機性能。


圖1是一火花點火式內(nèi)燃機的橫截面圖，內(nèi)燃機具有一定位在其內(nèi)的火花塞；圖2是具有本實用新型一實施例的火花塞的局部放大橫截面圖；圖3是圖2的火花塞沿線3-3截取的截面圖；
圖4是具有本實用新型一實施例的火花塞的局部放大橫截面圖；圖5是圖4的火花塞沿線5-5截取的截面圖；圖6是另一變化的火花塞的截面圖；圖7是另一變化的火花塞的截面圖；以及圖8是另一變化的火花塞的截面圖。
具體實施方式
在圖1中，部分地示出一火花點火式發(fā)動機10。發(fā)動機10包括一具有一氣缸鏜孔14的氣缸體12。一傳統(tǒng)設計的活塞16以一傳統(tǒng)的方式可移動地定位在氣缸鏜孔14內(nèi)。氣缸體12形成一頂表面18。
一氣缸蓋22形成一頂表面24和一底表面26。氣缸蓋22的底表面26以傳統(tǒng)的方式(諸如，通過多個螺栓(未示出))可移動地附連到氣缸體12的頂表面18。一襯墊28通常插在氣缸體12的頂表面18和氣缸蓋22的底表面26之間。這樣，一燃燒室30形成在氣缸蓋的底表面26、氣缸體的氣缸鏜孔14和活塞16之間。氣缸蓋22具有可操作地定位在其內(nèi)的至少一個進氣閥機構(gòu)34和可操作地定位在其內(nèi)的至少一個排氣閥機構(gòu)36。進氣閥機構(gòu)34的一進氣密封部分38定位在底表面26附近。以及排氣閥機構(gòu)36的一排氣密封部分40定位在底表面26附近。在該應用中，進氣閥機構(gòu)34和排氣閥機構(gòu)36由一凸輪、隨動件和推桿機構(gòu)(未示出)進行操作。進氣閥機構(gòu)34和排氣閥機構(gòu)36可在不改變設計主旨的情況下由其它方法操作，諸如，液壓的或電氣的方法。一臺階形通孔42定位在氣缸蓋22內(nèi)，并在頂表面24和底表面26之間延伸。采用定位在氣缸體上的氣缸蓋22，并在該應用中，臺階形通孔42相對于氣缸鏜孔14對中。作為一變體，臺階形通孔42可以任何方式相對于氣缸鏜孔14定位。臺階形通孔42包括一傳統(tǒng)設計的緊固機構(gòu)44，諸如一攻絲螺紋部分或一楔形部分。
還如圖2所示，一火花塞50或點火裝置或用于點燃一易燃混合物的裝置定位在臺階形通孔42內(nèi)。在該應用中，火花塞50是密封設計。火花塞50具有一連接部分52或連接裝置(在此應用中是一攻絲螺紋的連接器)。連接部分52和臺階形通孔42的緊固機構(gòu)44必須能夠經(jīng)受住一燃燒過程中典型的壓力、溫度和化學相容性?；鸹ㄈ?0以一傳統(tǒng)的方式密封地與氣缸蓋22連接。
在圖2中，火花塞50以局部截面圖和一放大比例示出?；鸹ㄈ?0包括一絕緣體保持區(qū)域54、絕緣體56和一接線端60。接線端60也可以是一用于傳導放電的裝置。再者，絕緣體56可以是一用于絕緣的裝置。接線端60由一具有良好導電性和熱阻的材料制成，諸如一鎳合金。絕緣體56可操作地電氣絕緣接線端60，并在高溫環(huán)境內(nèi)保持結(jié)構(gòu)整體性。用于制造絕緣體56的一個這樣的材料是一陶瓷材料。絕緣體56連接并覆蓋接線端60。絕緣體保持區(qū)域54具有火花塞殼70、一連接區(qū)域72和一末端及孔部分74。末端及孔部分74具有至少一個孔76。例如，如圖2所示，示出一單孔78。在該應用中，單孔78具有一由標號80表示的一軸線，其與氣缸體12的氣缸鏜孔14的軸線軸向地對齊。單孔78具有一預定的尺寸。在不離開設計本質(zhì)的情況下可使用其它的直徑或尺寸。末端及孔部分74形成底部82，其隨定位在氣缸蓋22內(nèi)的火花塞50部分地對齊在氣缸蓋的底表面26下。該應用中的火花塞50的底部82形成具有一卵形結(jié)構(gòu)的一繭形，或者具有一拋物線端部83，其延伸越過氣缸蓋22的底表面26到燃燒室30內(nèi)。如圖3所示，拋物線端部83具有一內(nèi)表面84和一外表面85。一點火室86在底部82內(nèi)并由繭形形成。這樣，底部82、絕緣體保持區(qū)域54和絕緣體56形成一用于形成點火室86的裝置。絕緣體保持區(qū)域54由這樣一材料組成，其具有高導熱性、高耐熱性并且抗環(huán)境腐蝕。同樣地，耐蝕表面處理可提供抗腐蝕能力。
作為一變體，末端及孔部分74可具有多于至少一個孔76。例如，如圖4，5，6和7所示，示出多個孔88。在該應用中，示出具有一預定尺寸的四個孔。在不離開設計本質(zhì)的情況下可使用其它的直徑或尺寸。在圖4中，多個孔88中的每一單個孔是以一圓錐方式離軸線80等距離地隔開。圓錐中心線的頂點在接線端60上或在接線端60下。
如圖2所示，陶瓷絕緣體56的下部90包括一銷部分92和一元件94，其可以是一件的或其間可包括一電阻(未示出)。作為另一變體，接線端/電阻/電極60可以是陶瓷絕緣體鑄模的部分。標號98表示一預定的軸向位置。多個接地件100附連到末端及孔部分74。多個接地件100中的每一個具有一附連端部分102和一電極端部分104。附連端部分102固定地附連到拋物線端部83的內(nèi)表面84。以及，電極端部分104形成一具有預定距離的間隙105。多個接地件100將點火室86分隔成一后側(cè)部分106和一前側(cè)部分108。前側(cè)部分108最接近活塞16定位，而后側(cè)部分106最遠離活塞16定位。多個孔88的一部分通向后側(cè)部分106，以及多個孔88的一部分通向點火室86的前側(cè)部分108。
在圖4中，下部90具有一附連在其上的板件120。在該應用中，板件120形成一周界122，其具有一如圖5最佳示出的圓柱形結(jié)構(gòu)。板件120將點火室86分隔成一后側(cè)部分106和一前側(cè)部分108。周界122與內(nèi)表面84隔開一形成間隙105的預定距離。多個孔88的一部分通向后側(cè)部分106，而多個孔88的一部分通向點火室86的前側(cè)部分108。
板件120的周界122可具有多個結(jié)構(gòu)。例如，在圖6和圖7中，板件120形成多個末端部分124。在該應用中，四個末端部分沿周界122形成，并且等距地隔開，并具有一形成一預定長度“L”的末端126。在該應用中，每一末端長度“L”的長度“L”相等。然而，作為一變體，末端126的數(shù)量和每一末端126的長度“L”可變化。此外，每一末端126的長度“L”可以是不相等的長度。所示的多個孔88在高度上與對應的一末端126的高度對齊。
在圖7中，末端126的長度“L”具有一鋸齒形結(jié)構(gòu)130。再者，如圖所示，多個孔88可徑向地相對于軸線80定位。同時所示的多個孔88在高度上與末端126的高度對齊，并且大致地與間隙105的高度對齊。
在圖8中，末端126具有一錐形的結(jié)構(gòu)140。例如，末端126的一第一邊緣142與內(nèi)表面84隔開一預定距離，而一第二邊緣144與內(nèi)表面84隔開一預定距離，該距離大于第一邊緣142的預定距離。從而形成一錐形間隙146。多個孔88在高度上與末端126的高度對齊，并且大致地與間隙146的高度對齊。
在該應用中，點火室86具有一預定的室容積。然而，點火室86的室容積將可根據(jù)燃燒室30的排量進行優(yōu)化或變化。一較大的燃燒室30將具有一較大的點火室86容積，而一較小的燃燒室30將具有一較小的點火室86容積。在該應用中，末端及孔部分74通過一全深度的傳統(tǒng)TIG焊接法連接到火花塞殼70。諸如銅焊之類的其它傳統(tǒng)的連接方法也可使用，只要作用的方法能經(jīng)受高溫和高壓環(huán)境。例如，末端及孔部分74可通過一壓配合或螺紋連接而連到火花塞殼70。末端及孔部分74可由一第二材料制成，該材料具有高導熱率、高熱穩(wěn)定性，以及在高達1150C的高溫下抵抗環(huán)境腐蝕。在該應用中，第一材料和第二材料是相同的材料。然而，第一材料和第二材料在不改變火花塞50的主旨的情況下可以是不同的材料。
在不改變本實用新型主旨的情況下，可使用構(gòu)成以上火花塞殼的其它外形的結(jié)構(gòu)；然而，在該應用中，所形成的結(jié)構(gòu)旨在提高制造工藝過程，提高火花塞50的使用壽命并減少從發(fā)動機10排出的排放物。實驗已表明，該結(jié)構(gòu)將減小或消除預點火和其它爆炸問題，能夠提早配時，進一步優(yōu)化發(fā)動機性能。
工業(yè)應用在操作中，火花塞50定位在氣缸蓋22內(nèi)。在該應用中，火花塞50螺紋地與氣缸蓋22的緊固機構(gòu)44附連?；鸹ㄈ麣?0基本上定位在氣缸蓋22內(nèi)，而包含點火室86的末端及孔部分74的底部82延伸到發(fā)動機10的燃燒室30內(nèi)。
使火花塞50的底部82基本上定位在燃燒室30內(nèi)，則在燃燒室30內(nèi)燃燒產(chǎn)生的熱量傳遞到火花塞50的火花塞殼70。然而，采用底部82的拋物線結(jié)構(gòu)，則從燃燒過程中傳遞的熱量更容易地耗散，并且由于消除彎角，火花塞的結(jié)構(gòu)整體性因拋物線端部83而提高。從而延長了火花塞50的使用壽命。實驗已表明，該結(jié)構(gòu)將減小或消除預點火和其它爆炸問題，能使配時提早，甚至還進一步優(yōu)化發(fā)動機性能。
火花塞50的結(jié)構(gòu)增強發(fā)動機10的操作。例如，底部82的拋物線端部83結(jié)構(gòu)改進傳熱，并改進從點火室86到燃燒室30的排氣流動。繭形結(jié)構(gòu)有助于凈化燃燒廢氣和消除截留的燃燒廢氣。多個孔88的一部分進入到點火室86的后側(cè)部分106內(nèi)的路線有助于消除截留的燃燒廢氣，幫助混合并協(xié)助凈化來自前面燃燒動作的廢氣。此外，多個點火位置的設計增加跳火花點的數(shù)量，從而確保在繭形結(jié)構(gòu)內(nèi)的點火和燃燒。再者，使底部82嵌入在燃燒室30內(nèi)，將可增加燃燒過程的速度。采用多個孔88的定向，增強了點火室86內(nèi)的渦流。使接線端60靠近中心或沿軸線80定位，則燃燒的起始提前，從而提高發(fā)動機性能。該結(jié)構(gòu)將允許在間隙105、146設定上進行變化。再者，通過一錐形間隙146，火花將從狹窄端或第一邊緣142朝向較寬端或第二邊緣144移動，從而將火花暴露到一較大的區(qū)域，并加長間隙105、146，改進燃燒。使火花移動更長也將延長電極壽命。再者，鋸齒狀末端130將降低燃燒電壓并改進點火系統(tǒng)壽命。使多個孔88在高度上與間隙105，146對齊，則引入的燃燒空氣、空氣及燃料將造成一漩渦效應。在如圖8所示的結(jié)構(gòu)中，引入的燃燒空氣將在電極間隙上從間隙146的狹窄部分吹到間隙146的較寬部分，造成電弧移動。該移動效應將造成電極磨損減小，既可導致更為均勻的磨損，又將電弧暴露在更多的燃燒中，造成較佳的點火起始。具有小間隙部分的錐形可允許一較小的火花電壓。當火花朝向類似于繩梯(Jacob’Ladder)那樣的較大間隙部分吹時，錐形間隙還引起能夠增長的自然火花。
火花塞50的火花塞殼70的結(jié)構(gòu)，使得制造容易降低成本并提高燃燒過程減少排放物。例如，使底部82和連接部分72為分離部件，則提高制造過程。然而，作一變體，部件可制成一體，并消除焊接過程。
這樣，本實用新型火花塞50的實施例提高了火花塞50的制造，火花塞50的壽命以及燃燒室30的合成的點火效率，減少排放物。再者，實驗已表明，該結(jié)構(gòu)將減小或消除預點火和其它爆炸問題，能使配時提早而進一步減少排放物。
本實用新型的其它方面、目的和優(yōu)點可從研究附圖、描述及附后的權(quán)利要求書中獲得。
權(quán)利要求1.一火花點火式發(fā)動機，所述發(fā)動機包括一氣缸體，其具有一頂表面和一其內(nèi)的氣缸鏜孔；一活塞，其可移動地定位在所述氣缸鏜孔內(nèi)；一氣缸蓋，其具有一底表面并附連到所述氣缸體；一燃燒室，其由所述氣缸鏜孔、所述活塞和所述氣缸蓋的所述底表面形成；一火花塞，其具有一接線端、一絕緣體保持區(qū)域以及一絕緣體，所述火花塞至少部分地定位在所述氣缸蓋內(nèi)；其特征在于，所述火花塞是一密封的結(jié)構(gòu)，其形成一點火室；以及所述點火室基本上定位在所述燃燒室內(nèi)，以及基本上在所述氣缸蓋外部。
2.一火花塞，其包括一接線端，其是一導電體并具有一熱阻；一絕緣體，其可操作地環(huán)繞接線端定位，并在高溫環(huán)境內(nèi)保持結(jié)構(gòu)整體性；一絕緣體保持區(qū)域，其可操作地連接到接線端，并具有一火花塞殼、一連接區(qū)域和一末端及孔部分；其特征在于，所述絕緣體保持區(qū)域的所述末端及孔部分具有一點火室，并且具有一由一拋物線端部形成的繭形結(jié)構(gòu)。
專利摘要本實用新型提供一種火花點火式發(fā)動機和一種與其一起使用的火花塞，它們能夠減小或消除預點火和其它爆炸問題。一火花點火式發(fā)動機包括一氣缸體，其具有一頂表面和一其內(nèi)的氣缸鏜孔；一活塞可移動地定位在氣缸鏜孔內(nèi)；一具有一底表面的氣缸蓋附連到氣缸體；一燃燒室由氣缸鏜孔、活塞和氣缸蓋的底表面形成。一火花塞具有一電極、一火花塞殼、一形成一底部的一末端和孔部分，以及一絕緣體?；鸹ㄈ囊徊糠侄ㄎ辉跉飧咨w內(nèi)。火花塞是一密封的結(jié)構(gòu)，其形成一具有一繭形結(jié)構(gòu)的點火室，以及火花塞的點火室基本上定位在基本上在氣缸蓋外部的燃燒室內(nèi)。實驗已表明，該結(jié)構(gòu)將減小或消除預點火和其它爆炸問題，能使配時提早，甚至還進一步優(yōu)化發(fā)動機性能。
文檔編號H01T13/00GK2825995SQ20052001181
公開日2006年10月11日 申請日期2005年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月23日
發(fā)明者W·C·波雷, G·P·穆勒, J·L·尼瑟瑪爾, J·M·舒爾茲, B·L·溫克爾曼 申請人:卡特彼勒公司