擊穿增強(qiáng)型火花塞的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種內(nèi)燃機(jī)火花點(diǎn)火裝置，特別涉及一種擊穿增強(qiáng)型火花塞。
【背景技術(shù)】
[0002]分層充量，稀薄燃燒，大比例廢氣再循環(huán)，以及增強(qiáng)缸內(nèi)氣流等技術(shù)被認(rèn)為可以提高火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。然而這些技術(shù)手段的使用使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣不易點(diǎn)燃，需要改善點(diǎn)火可靠性來(lái)充分利用這些先進(jìn)燃燒控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。研究表明，加大火花放電初期電容放電的能量能夠顯著提高點(diǎn)火可靠性，拓寬發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒的邊界，改善在大比例廢氣再循環(huán)率時(shí)的燃燒穩(wěn)定性。
[0003]發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，火花放電發(fā)生在由中心電極和接地側(cè)極形成的火花間隙內(nèi)。中心電極與火花塞殼體電氣絕緣，而接地側(cè)極在火花塞安裝后與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體電氣連通。絕緣體一般為氧化鋁陶瓷經(jīng)高溫?zé)Y(jié)成型。中心電極則與絕緣體通過(guò)高溫粘結(jié)或燒結(jié)緊固為一體，然后與火花塞金屬殼體進(jìn)行機(jī)械組裝?；鸹ǚ烹姷奈锢磉^(guò)程可簡(jiǎn)單分為擊穿期和持續(xù)放電期。當(dāng)點(diǎn)火線(xiàn)圈對(duì)火花間隙施加的電壓較低時(shí)，火花間隙內(nèi)的氣體電絕緣，中心電極和接地側(cè)極之間沒(méi)有電流。電壓增加后會(huì)使電極間氣體離子化，而形成的帶電粒子會(huì)在電場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)形成電流。在電壓低于擊穿電壓之前，火花間隙內(nèi)只形成微弱的離子電流。當(dāng)電極之間電壓達(dá)到擊穿電壓時(shí)，火花間隙擊穿形成放電通道。放電通道內(nèi)氣體電阻急劇降低，導(dǎo)致電極之間電壓也快速下降到維持火花放電的電壓，這個(gè)過(guò)程就是擊穿期。擊穿期持續(xù)時(shí)間只有若干納秒，是一個(gè)高速動(dòng)態(tài)的過(guò)程。由于放電通道的電導(dǎo)性，火花在擊穿后進(jìn)入持續(xù)放電期，在這個(gè)階段點(diǎn)火線(xiàn)圈內(nèi)的能量通過(guò)放電通道以電火花的形式釋放直到耗盡蓄能?；鸹ǚ烹姵掷m(xù)期可以達(dá)到若干毫秒。擊穿期持續(xù)時(shí)間短，這個(gè)階段釋放的能量占整個(gè)火花放電能量的比例很低。然而擊穿期很高的電壓能夠提供更高的電子能量，而更高的電子能量更有利于裂解碳?xì)滏準(zhǔn)褂蜌饣旌蠚飧字稹Ｒ虼送ㄟ^(guò)增強(qiáng)火花擊穿能量能夠改進(jìn)點(diǎn)火可靠性。
[0004]火花擊穿期主要是電容性放電，放電周期短但瞬間電流大，放電特性取決于火花塞局部電容和電阻特性，受點(diǎn)火線(xiàn)圈變壓器特性影響不顯著。而火花持續(xù)放電期是電阻性放電，周期長(zhǎng)而電流低，放電的電壓電流特性取決點(diǎn)火線(xiàn)圈的變壓器特性。擊穿期的能量取決于火花擊穿電壓和火花塞局部電容?；鸹〒舸╇妷簞t受到電極結(jié)構(gòu)，氣體成分及密度，和電極間距的影響。而為了保證在發(fā)動(dòng)機(jī)全工況下可靠形成火花放電，不能采用太大的電極間距，并應(yīng)盡可能的降低擊穿電壓。另外一種增強(qiáng)火花擊穿期的能量的辦法是加大火花塞局部電容。實(shí)際上火花塞的結(jié)構(gòu)特征使火花塞局部形成一個(gè)同心圓柱電容器，并聯(lián)于中心電極和地極之間。電容器導(dǎo)電面分別為中心電極表面和金屬殼體內(nèi)壁。介電質(zhì)由陶瓷絕緣體形成。通常火花塞的寄生電容數(shù)值在10?20pF，在較高擊穿電壓的情況下，可提供2?3毫焦的擊穿能量?？赏ㄟ^(guò)增加火花塞導(dǎo)電面面積和改進(jìn)絕緣陶瓷與金屬接觸來(lái)增加電容，如對(duì)絕緣體表面進(jìn)行金屬化處理等手段?；鸹ㄈ慕^緣體一般采用氧化鋁。氧化鋁具有很好的耐高電壓，較高的導(dǎo)熱系數(shù)，較低的熱膨脹系數(shù)，和很強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，能夠滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)對(duì)火花塞的機(jī)械強(qiáng)度和熱沖擊的要求。然而由于氧化鋁陶瓷介電常數(shù)較低，所能增加的電容值有限?，F(xiàn)有的高介電常數(shù)陶瓷機(jī)械強(qiáng)度不足，而且制造成本比氧化鋁高很多，因此火花塞絕緣體也不能單獨(dú)采用這些高介電常數(shù)陶瓷制造。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是要提供一種顯著提高點(diǎn)火可靠性的擊穿增強(qiáng)型火花塞。
[0006]為了解決以上的技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種擊穿增強(qiáng)型火花塞，包括:
[0007]中心電極，嵌于氧化鋁絕緣體的軸向通道中，通過(guò)高溫粘結(jié)劑緊固；
[0008]氧化鋁絕緣體，與中心電極放電端相接觸部分嵌入高介質(zhì)常數(shù)電介質(zhì)；
[0009]金屬殼體，與氧化鋁絕緣體固接，一端有火花塞安裝螺紋，并焊接接地側(cè)極，另一端為六角頭便于施加安裝力矩。
[0010]上述擊穿增強(qiáng)型火花塞的寄生電容數(shù)值達(dá)到100pF，提供3?10毫焦的擊穿能量。
[0011]所述氧化鋁絕緣體的外周上設(shè)有兩個(gè)臺(tái)肩，第一臺(tái)肩為與金屬殼體密封的倒角密封面，使用銅墊片與金屬殼體對(duì)應(yīng)倒角面接觸并壓緊密封；第二臺(tái)肩為環(huán)狀電容的定位面，用來(lái)定位環(huán)狀電容，并與金屬殼體鉚接實(shí)現(xiàn)緊固密封。
[0012]所述氧化鋁絕緣體設(shè)有導(dǎo)電通道，導(dǎo)電通道內(nèi)填充金屬導(dǎo)體，環(huán)狀電容的內(nèi)表面通過(guò)導(dǎo)電通道與中心電極連接。所述導(dǎo)電通道的內(nèi)表面涂布有導(dǎo)電涂層，增加中心電極和環(huán)狀電容連接的可靠性。
[0013]所述環(huán)狀電容為空心圓柱，其由高介電常數(shù)陶瓷材料燒結(jié)而成，環(huán)狀電容的內(nèi)外表面涂布有導(dǎo)電涂層。環(huán)狀電容內(nèi)表面兩端距離端面1?2毫米內(nèi)不進(jìn)行金屬化處理，以增加內(nèi)壁金屬面與接地側(cè)極之間的距離，從而防止沿表面擊穿。
[0014]所述高介電常數(shù)陶瓷材料為鈦酸鍶，或?yàn)殁佀徭J鋇，或?yàn)殁佀徜^，或?yàn)殁佀徙~鈣。
[0015]所述環(huán)狀電容與氧化鋁絕緣體與金屬殼體接合的縫隙內(nèi)填充有高溫絕緣材料。該高溫絕緣材料除了對(duì)環(huán)狀電容電絕緣外，還能起到增強(qiáng)氣密性的作用。
[0016]所述中心電極與氧化鋁絕緣體粘接緊固，中心電極分為放電端、電阻端和高壓端三段。中心電極內(nèi)置的電阻元件以抑制放電過(guò)程的高頻噪聲。中心電極放電尖端焊接貴金屬材料，用以延長(zhǎng)電極壽命。電阻元件布置在電容元件的上游，因此當(dāng)電容對(duì)火花間隙放電時(shí)，電流不經(jīng)過(guò)電阻元件。
[0017]所述氧化鋁絕緣體分為三段，兩端為氧化鋁陶瓷，中間段絕緣體為容納電容元件的電容空間。
[0018]所述中間段絕緣體為整個(gè)環(huán)狀電容，環(huán)狀電容與兩端的氧化鋁陶瓷粘接緊固。三段絕緣體陶瓷之間通過(guò)高溫絕緣粘結(jié)劑連接，保證中心電極不會(huì)沿接合面向接地側(cè)極放電。該絕緣體和金屬殼體緊固，由于金屬殼體的禁錮作用，中間較弱機(jī)械強(qiáng)度的高介電常數(shù)陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度得到了增強(qiáng)。
[0019]所述中間段絕緣體的外周上設(shè)有若干個(gè)電容通道，電容通道內(nèi)放置電容元件。
[0020]所述電容通道中的電容元件與中間段絕緣體機(jī)械組裝并粘結(jié)，或電容元件預(yù)裝于絕緣體的電容通道中進(jìn)行燒結(jié)成形。
[0021]所述氧化鋁絕緣體外周上設(shè)有與金屬殼體的密封面和定位臺(tái)肩。
[0022]所述氧化招絕緣體與金屬殼體的縫隙內(nèi)填充有高溫絕緣材料。
[0023]所述氧化鋁絕緣體與金屬殼體的密封面設(shè)有密封墊圈。
[0024]當(dāng)點(diǎn)火線(xiàn)圈對(duì)本實(shí)用新型火花塞施加高電壓時(shí)，首先對(duì)電容充電。當(dāng)火花間隙擊穿后，電容對(duì)火花間隙放電，增強(qiáng)擊穿能量。當(dāng)形成火花放電通道后，點(diǎn)火線(xiàn)圈能量通過(guò)電阻元件和火花通道釋放。
[0025]本實(shí)用新型的優(yōu)越功效在于:
[0026]1)本實(shí)用新型采用較高機(jī)械強(qiáng)度的氧化鋁為絕緣體主體，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將具有較高介電常數(shù)的電介質(zhì)嵌入氧化鋁絕緣體內(nèi)，從而在保證了火花塞機(jī)械強(qiáng)度的前提下顯著增強(qiáng)了火花塞內(nèi)電容，使火花塞的內(nèi)電容可增加到100pF以上，從而最大提供10毫焦的擊穿能量，而火花放電總能量消耗并沒(méi)有顯著增加；
[0027]2)本實(shí)用新型采用了具有高介電常數(shù)的電介質(zhì)作為電容材料，在增強(qiáng)火花塞內(nèi)電容的同時(shí)火花塞可以保持較小的幾何尺寸；
[0028]3)本實(shí)用新型火花塞內(nèi)置電阻抑制電容放電時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾；
[0029]4)本實(shí)用新型增加火花的擊穿能量，則能夠顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)著火可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0030]構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書(shū)附圖用來(lái)提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，本實(shí)用新型的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0031]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2為圖1中氧化鋁絕緣體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖3為圖1中環(huán)狀電容的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖5為圖4為氧化鋁絕緣體左右兩端的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖6為圖4中環(huán)狀電容的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖8為圖7中氧化鋁絕緣體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖9為圖8的正視圖；
[0040]圖10為圖7中電容元件的結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0041]圖11為圖10的俯視圖；
[0042]圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0043]1 一接地側(cè)極；2—高溫絕緣材料；
[0044]3—導(dǎo)電涂層；4一電阻元件；
[0045]5—高壓電極；6—中心電極；
[0046]7—金屬殼體；8—密封墊圈；
[0047]9 一導(dǎo)電通道；
[0048]10—環(huán)狀電容Μ;
[0049]1001—導(dǎo)電外壁；1002—電介質(zhì)；
[0050]1003—導(dǎo)電內(nèi)壁；[0051 ]11 一氧化鋁絕緣體A ；
[0052]1101 —密封面；1102—定位臺(tái)肩；
[0053]12—環(huán)狀電容N;
[0054]1201—導(dǎo)電外壁；1202—電介質(zhì)；
[0055]1203—導(dǎo)電內(nèi)壁；
[0056]13—氧化鋁絕緣體B;
[0057]1301 —密封面；13