专利名称：配有火花塞的受计算机控制的内燃发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃发动机以及与该内燃发动机一起使用的装置，使燃油高效燃烧以提供更多的动力、更高的燃油效率和大大减少有害排放物。
本发明的背景在传统的以汽油为动力的内燃发动机中，汽油是通过一燃油喷射器或化油器来加以引导，随后与空气混合，提供一个大约为10∶1至14.7∶1的空燃比。接着，汽油和空气混合物被输送到一燃烧室内，并借助由一火花塞产生的火花来点燃。传统的发动机构造是这样的，即，在输送至燃烧室的空/燃混合物中含有大量的汽油，在火花塞的火花点火时，这些汽油没有全部消耗。于是，发动机便将含有未燃烧的汽油和其它有害排放物，例如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、或氮的氧化物(NOx)的废气排入周围环境。
在八十年代后期生产的大多数车辆中，一个车载的计算机(也称作电子控制模块或ECM)安装在车辆上，并连接于发动机。ECM可控制和监测很大范围的发动机工况，包括燃油流量以及输送至发动机的燃油。ECM还能控制空/燃混合物在不同驾驶条件下的空燃比。例如，油门部分打开的普通驾驶的空燃比是14.7∶1。当需要附加动力因而油门全开时，例如当把一负载拉上山坡时，ECM可将空燃比调节至12∶1，以便利用更多的燃油来实现必须的动力增量。ECM可监测发动机的多个传感器，并调节各工作参数以将空燃比维持在一个选定值上。ECM还能控制发动机产生火花的正时，从而当发动机的活塞位于各气缸内的选定位置时引爆空/燃混合物，以便从该发动机获得期望的输出。
ECM有一个或多个计算机芯片，例如包含供发动机工作用的指令和校准数据的PROM(可编程只读存储器)。然而，由汽车制造商提供的计算机芯片是利用借助传统火花塞工作的发动机的出厂参数来进行编程，以实现一种可提供足够功率并具有合理的燃油效率和可接受的发动机有害排放物的可接受的发动机性能。
传统的ECM具有一计算机芯片或PROM，它可以用一个借助各种指令和校准数据来进行编程的定制芯片加以更换，以改变或提高发动机性能的各个方面，例如输出功率。其它的ECM具有可再编程的PROM(例如闪光电可擦只读存储器(EEPROM))，该PROM可以借助不同的指令和校准数据重新编程。例如，一定制的计算机芯片或改编程序包括供ECM使用以增大发动机输出功率的指令和校准数据，这通常会使燃油效率下降并造成过高的发动机有害排放物。因此，这些定制的计算机芯片通常对城市车辆(例如，非赛车型或非越野型车辆)是禁用的，除非其通过昂贵的联邦试验程序并满足其它要求。
ECM控制的发动机采用传统的火花塞来点燃空/燃混合物。传统的火花塞具有一直径为1.3mm至2.0mm的中心电极和一尺寸与之类似并间隔开一个大约0.8mm间隙的接地电极。该火花塞连接于车辆线圈，当中心电极处的电压达到电离值时，电荷以火花形式越过该间隙放电。火花塞一般由通常为15,000-30,000的高压线圈驱动，该线圈可以提供允许火花电弧越过间隙所必须的火花放电电压。
传统的火花塞设计使得所产生的火花是一个相对较小的蓝色的火花。这种小的蓝色火花通常可提供足够的热量来引爆燃烧室内的空/燃混合物，以便驱动在向下冲程上的一个发动机活塞。虽然传统的火花塞允许发动机在用户认为可接受的水平上运行，但这些火花塞未必对发动机的性能进行优化。这些火花塞具有相对较小的间隙，只需要较小的电压就可以产生火花，这将导致一个冷的或低能(lower power)火花。与热火花相比，低能火花点燃空/燃混合物的效率较低，因而在空/燃混合物中就需要更多的燃油来实现所希望的发动机输出功率。因此，发动机是以较低的燃油效率工作。此外，火花塞的低效点燃还导致燃油的不完全燃烧，从而产生更多的有害排放物。
已经有很多对火花塞和其它发动机构件的改进，以期获得更大的功率，并且不会降低燃油效率和增大废气排放。作为一个例子，美国Illinois的Splitfire制造了一种火花塞，它具有一标准的中心电极，该中心电极与一V形接地电极隔开一标准的火花间隙，V形接地电极可提供让火花电弧越过的两个区域。Splitfire’s火花塞的一个目的是，允许一火花横越接地电极的腿部，以产生更多的火花来点燃空/燃混合物。
德国的BERU为Nology Engineering生产了一种SilverstoneTM火花塞，这种火花塞的直径是2mm，银制的中心电极可以高效率地将电流从点火线圈传递至火花塞。该银制中心电极与一标准接地电极之间有一个大约0.8mm的标准火花间隙。然而，SilverstoneTM火花塞是与较高的电压结合使用，改装的点火线圈可获得较高的可用火花电压，从而产生一个比传统火花塞的细小蓝色火花更强大和更热的火花。虽然SikverstoneTM火花塞可提供一更强和更热的火花，但该火花塞需采用更高电压的线圈使传统的发动机获得较大的输出功率。SilverstoneTM火花塞的另一个缺点是，银制的中心电极相对较柔软，更强和更热的火花的产生会导致其使用寿命低于其它传统的火花塞。
该传统火花塞的中心电极还具有相对较小的、让火花越过间隙的表面积。然而，在火花塞的使用过程中，这种较小的表面积会承受火花产生的更为集中的热量，因为只能在较小的表面积上产生火花。于是，传统火花塞的中心电极会随时间的推移而磨损，从而缩短了火花塞的使用寿命。
传统火花塞的低能火花和中心电极处的较小表面积还将导致大量的缺火(misfire)现象。当火花塞缺火时，可能是因为没有提供正确的火花，或者是火花没有在该周期点燃空/燃混合物。因此，缺火的火花塞可降低发动机的燃油效率和输出功率，并增大发动机的废气排放。
传统的火花塞还可能导致较高的排气温度，这将导致发动机运行时较热，从而需要有用于发动机的冷却系统和类似物。火花塞产生较高的排气温度是因为低能火花只能提供较少的热量，因而在开始引爆空/燃混合物时，只有较少量的空/燃混合物被同时点燃。于是，空/燃混合物生成火焰较慢，在燃烧室内引爆混合物需要更多的时间。较长的引爆周期将导致有更多的能量没有转变成动能，因而燃烧排放物就比较热，从而导致较高的发动机工作温度。较高的发动机工作温度需要发动机的各构件由能承受较高工作温度的材料制成，这一般会增大发动机的成本和重量。
发明概要本发明提供了一种在内燃发动机内的发动机控制系统和电火花发生装置的组合，它可以实现较高的输出功率和燃油效率并且不会增大发动机的有害排放物，从而能克服传统发动机的缺陷。在本发明的一实施例中，一电子控制模块联接于一内燃发动机，并且可以通过程序控制进入一燃烧室的燃油流量，从而提供一个空燃比为大约20∶1至45∶1的空/燃混合物。一电火花发生装置设置在靠近燃烧室处，以便引爆空/燃混合物。电火花发生装置具有一加大的第一电极，该电极具有一表面积为大约12.56mm2或更大的发火花表面。发火花表面通过一个大约为1.8mm或更大的放电间隙与一接地电极隔开。电火花发生装置可以产生一个横跨所述间隙的大的高能热火花，从而实现更快的燃油引爆，更短的火焰前锋生长周期，并使空/燃混合物基本完全燃烧，从而可提高燃油效率，减少发动机的有害排放物，并且不会降低发动机功率。此外，燃烧排放物比较冷，因而发动机的运行温度也较低。
在一实施例中，电子控制模块具有一可取下的计算机芯片，该芯片被编程为能控制发动机的燃油输出系统，从而将空燃比维持在20∶1至45∶1的范围内。火花塞具有一直径为大约4mm或更大的中心电极，放电间隙是大约1.8mm或更大。接地电极具有一沿轴向与中心电极的发火花表面隔开的火花接地表面，火花接地表面的表面积等于或大于发火花表面的表面积。因此，中心电极的发火花表面、接地电极的火花接地表面以及所述间隙限定了一个加大的引爆区域，其体积是大约22.61mm3或更大。
本发明还提供了一种用于在内燃发动机的燃烧室内引爆空/燃混合物的方法。在一实施例中，该方法包括为燃烧室提供一空/燃混合物的步骤，该混合物的空燃比是大约20∶1或更大，在一对沿轴向隔开的电极之间的大约为1.8mm或更大的放电间隙内可产生横跨该间隙的一个或多个电火花，并借助这一个或多个电火花来引爆空/燃混合物，所述电极之一具有大约为12.56mm2或更大的发火花表面。
附图简要说明
图1是一内燃发动机的示意图，该发动机具有多个由虚线表示的火花塞和一联接于本发明发动机的电子控制模块；图2是图1发动机的一燃油输送系统的示意图；图3是图1发动机的一燃油喷射器和一相关燃烧室的放大的剖视图，靠近燃烧室设置了一火花塞；图4是图1所示电子控制模块的放大的局部剖示立体图，其中模块外壳的一部分被去除，以示出其中的计算机芯片；图5是图1所示电子控制模块的另一实施例的放大的局部剖示立体图，其中模块外壳的一部分被去除，以示出其中的计算机芯片；图6是图3所示火花塞的放大的侧视图；图7是图6所示火花塞的一中心电极和一接地电极的放大的侧视立体图，其中示出了在一燃油引爆区域中的一段选定时间内产生的多个火花；图8是一具有中心电极和接地电极的传统火花塞的局部侧视图，在两电极之间带有一火花电弧；图9是图1所示火花塞的另一个实施例的局部剖示侧视图；图10是图9所示火花塞的一中心电极的放大的底部平面图；图11是图1所示发动机的另一燃油输送系统的示意图，该燃油系统内具有一化油器。
对本发明的详细描述以下将结合各附图来描述根据本发明的一发动机控制系统以及联接于一内燃发动机的火花塞。从图1清楚可见，一内燃发动机12的发动机控制系统10可操纵地连接于一燃油输送系统14。该发动机控制系统10包括一电子控制模块(ECM)16，也称作“车载计算机”，该ECM安装在一车辆15上，并且可操纵地连接于发动机12。该发动机控制系统10可控制和监测发动机12的工作参数，包括通过燃油输送系统14的燃油量，以及将一具有选定空燃比的空/燃混合物送至发动机燃烧室17的供给量。发动机控制系统10还可通过安装在发动机内的火花塞18来控制火花产生的正时以及空/燃混合物的引爆。在该实施例中，发动机控制系统10和火花塞18相互结合，与没有本发明发动机控制系统和火花塞的类似尺寸的发动机相比，能使发动机12以较高的燃油效率工作，同时能提供较高的功率并减少废气排放。
从图2清楚可见，该实施例的燃油输送系统14包括一燃油喷射系统20，它具有多个连接于一燃油管道24的燃油喷射器22。燃油管道24可操纵地连接于一燃油管路26，该燃油管路依次连接于一油箱28，燃油管路和燃油管道可将来自油箱的燃油携带至燃油喷射器22。燃油管路26包括一燃油泵30，该燃油泵可将汽油从油箱28向燃油喷射器22泵送。燃油泵30可操纵地连接并受控于ECM16,ECM可控制汽油进入和通过燃油喷射器22的速率。一燃油过滤器32连接于燃油管路26，以便当汽油流过燃油管路时对其进行过滤，在汽油到达燃油喷射器22之前滤去杂质，从而避免燃油喷射器被杂质堵塞。
从图3清楚可见，每个燃油喷射器22将汽油输送至一进气歧管32，该进气歧管可提供一用于使汽油和空气混合的混合区域，并且该进气歧管与发动机12的一个燃烧室17连通。燃油喷射器22具有一伸入进气歧管32内的传统喷油嘴34。喷油嘴34可接收来自燃油管道24的一部分汽油，并将它们引入进气歧管32而产生细微雾化的燃油。细微雾化的燃油在进气歧管32内与空气相结合，所形成的空/燃混合物进入燃烧室17，以便由火花塞18引爆。
发动机12还包括一排气歧管36、一联接于进气歧管32的空气滤清器38、一进气阀40、以及一排气阀42。发动机12还包括一传统的发动机气缸体组件44，该组件具有一在燃烧室17下方的活塞气缸46，一活塞48在该气缸内往复运动。根据本发明的火花塞18位于燃烧室17的顶部。
根据本发明工作的喷油嘴34将一定量的燃油喷入进气歧管32，以便以一定的空燃比与空气混合而提供非常稀薄的混合气。该空-燃混合物进入燃烧室17，并在那里通过活塞48的向上行程而被压缩，在一个相对于活塞在气缸46内的位置而言的选定时间点上，火花塞18引爆该空-燃混合物。火花塞18可操纵地连接于ECM16,ECM可控制相对于活塞在气缸46内的位置而言的火花塞的放电正时。
下面将在对ECM16进行讨论之后来详细地描述本发明的改进的火花塞18。
从图4清楚可见，ECM16包括一保护用外壳52，其内包含了多个安装在一印刷电路板54上的传统的计算机构件56。一以专门编程的主机芯片58或可编程的只读存储器(PROM)形式出现的存储装置是由从印刷电路板54上伸出的多个连接引脚来连接的。计算机芯片58是借助多个指令、校准数据以及相应于发动机构造的其它发动机工作参数来编程的，以便当其作为本发明的发动机控制系统10的一部分工作时，能获得所需的性能、燃油效率和废气排放的均衡结果。
ECM16还包括一备用的计算机芯片62，它借助在主机芯片58失效的情况下所用的传统的备用发动机工作参数来编程。该备用计算机芯片被称作“软备用(limp home)”芯片，它适于将卡车驱驶到例如一维修站或修理店，即使发动机在大大低于其峰值性能的情况下工作时也行。
在一变化型实施例中，从图5清楚可见，ECM16具有一用于车辆15的传统的厂方编程计算机芯片64，它是由从印刷电路板桥接件68上伸出的多个连接引脚66连接。桥接件68可取下地插设在从印刷电路板54延伸的连接引脚60上，对于没有配备本发明的车辆15而言，厂方编程计算机芯片64垂直地插设在印刷电路板54上。因此，厂方编程的计算机芯片64通过桥接件68还是可操纵地连接于ECM的印刷电路板54。
根据本发明的一辅助计算机芯片70安装在桥接件68上，并且通过桥接件68可操纵地连接于ECM的印刷电路板54。该辅助计算机芯片70是借助包括空燃比、燃油数据表、火花点燃正时数据表和用于车辆15的特定的系统驱动参数等选定的指令和校准数据来编程的。辅助计算机芯片70是以传统的方式进行编程，以便超越厂方编程计算机芯片64的指令和校准数据，使ECM16可利用来自辅助计算机芯片的指令和校准数据。在该实施例中还设置了传统的“软备用”芯片62，以便当辅助计算机芯片70或厂方编程芯片64因为一些原因而停止工作时，供ECM16使用。
图4所示实施例中的专门编程的计算机芯片58和图5之变化型实施例中的辅助计算机芯片70都借助来自ECM控制的特定发动机的数据参数来进行编程，以便提供空燃比为大约20∶1至45∶l的空/燃混合物。由于很多汽车制造商对范围很广的车辆模型采用类似地构造，因而对具有类似发动机结构的所有模型而言，可以采用具有大致相同指令和校准数据的类似程控计算机芯片。例如，一组指令和校准数据可用于范围很广的Chevrolet车辆，而第二组指令和校准数据可用于范围很广的Ford车辆。于是，本发明作为一种改装产品而言是高效的，它可以增大一传统发动机的输出功率和燃油效率，同时能减少有害物排放。
在另一变化型实施例(未示)中，ECM16具有一以永久性PROM形式出现的存储装置，例如闪光EEPROM，该存储装置是一种可编程、可擦拭和可重新编程的存储器。当在一车辆的原始制造过程中采用本发明时，将选定的指令和校准数据进行初始编程而进入EEPROM。当在一改装过程中安装本发明时，利用传统的技术对EEPROM进行擦拭和再编程，以便结合所选的指令和校准参数。
除了图5所示的桥接件68以外，图4和图5中所示的ECM16的结构化构件都是普通的构件，这些普通构件都是以传统的方式相互连接。此外，在编程的计算机芯片58、辅助计算机芯片70和软备用芯片62内的程序体系结构也是普通的。因此，文中没有对ECM的结构化构件和程序体系进行进一步地描述。然而，预编程计算机芯片58和辅助计算机芯片70包括在ECM的普通厂方编程PROM内没有提供的、但在下文中将要进行讨论的各种指令、工作特性和校准数据。
在一实施例中，在一辆具有一ECM16和一350马力8缸发动机(以下称为350Chevy发动机)的1992型的Chevrolet卡车上设置有一安装在ECM内的计算机芯片58(图4)和本发明的火花塞18(图3)。计算机芯片58是经过编程的，以提供和维持大约为20∶1或更大的空燃比，较佳的空燃比范围是20∶1至45∶1，最好是大约30∶1。这里所说的“空燃比”指的是空气与燃油的重量比(通常是磅与磅或者是千克与千克的比值)，即给定重量的空气/燃油的等价蒸汽形式在根据工业实践标准的标准温度和压力下的比值。对一采用普通火花塞的类似的350Chevy发动机中使用的普通编程计算机芯片而言，是将其编程为能提供和维持为大约10∶1至14.7∶1的空燃比。因此，编入本发明发动机的计算机芯片58内的空燃比大大高(或稀薄)于传统的编程计算机芯片的空燃比。
在图5所示的实施例中，用于Chevrolet卡车的厂方编程计算机芯片64和ECM的程序结构体系是这样的，即，可用于辅助计算机芯片70的空燃比的最大值是25.5∶1。由于本发明较佳实施例采用了高于25.1∶1的空燃比(例如30∶1)，所以辅助芯片70是借助通常采用较少燃油的小型发动机的其它指令和校准数据来进行编程。于是，与通常提供给350马力的Chevy发动机的25.5∶1的空燃比相比，辅助计算机芯片70可向较大的发动机提供更少的燃油，从而在发动机的工作过程中获得一个比较高的实际空燃比。例如，辅助计算机芯片70是借助一不同于出厂参数的恒宽基本脉冲来进行编程，从而改变燃油喷射器打开的时间长短。对350马力的Chevy发动机而言，基本脉冲宽度从出厂参数135变为129，从而缩短了燃油喷射器在每个周期内将汽油喷入进气歧管的时间。因此，辅助计算机芯片70是经过编程而可以提供一个大约为30∶1的有效空燃比，这个值大于可以得到的最大参数值25.5∶1。
该两实施例的预编程计算机芯片58(图4)和辅助芯片70(图5)还能控制发动机的废气再循环(EGR)系统。当EGR系统“开”时，该系统使废气再循环而回到进气歧管内，以便尝试让废气内的未燃燃油燃烧。本发明所采用的预编程计算机芯片58(图4)是将程序编制为使EGR系统保持“关”状态，因而没有废气再循环。由于稀薄的空/燃混合物借助由火花塞产生的电弧(在下文中将要述及)非常完全地燃烧，无需进行废气再循环，所以EGR不起动。
编程在辅助计算机芯片70(图5)内的EGR数据参数是设置成这样，即，发动机的工况不会达到起动EGR系统的数据参数。因此，EGR系统保持“关”状态。辅助计算机芯片70还被编程为能使提供在厂方编程计算机芯片64内的一EGR系统诊断程序不起作用，从而使该诊断程序在车辆的工作过程中不运行。为比较起见，厂方编程计算机芯片64(图5)的出厂参数是这样的，即，EGR系统是作为发动机速度、温度、油门位置和歧管压力的参数而“开”或“关”，EGR系统在利用非本发明发动机的大部分正常行驶的过程中是“开”的。
厂方编程计算机芯片64的出厂参数还具有一数据块学习存储器(BLM)程序，它在不同的行驶工况下“开”或“关”，以监测由发动机内的多个传感器提供的数据。BLM程序可用传统的方式来改变特定的数据参数，以便将空燃比维持成指定值(例如出厂参数14.7∶1)。
在本发明的利用预编程计算机芯片58(图4)的实施例中，预编程计算机芯片包括一BLM程序，它可将空燃比维持在大约20∶1至45∶1的选定范围内，包括例如30∶1。在图5所示的变化型实施例中，是将辅助计算机芯片70编程为可代替厂方编程的计算机芯片64，并且可以使BLM程序保持为“关”。
预编程计算机芯片58(图4)和辅助计算机芯片70(图5)还借助燃油数据表来编程，该数据表可控制向进气歧管提供多少燃油与空气混合，以便维持所需的空燃比。燃油数据表内的数值是作为发动机速度和歧管压力的函数而提供的。从表1清楚可见，这个用于结合了本发明发动机的350马力Chevy发动机的数据表提供了发动机速度为400rpm至4800rpm以及进气歧管压力为20KPa至100KPa时的标准燃油数据。所示燃油数据表中的各燃油数值可维持大约30∶1的空燃比。为比较起见，表2提供了一个相同的350马力Chevy发动机在未用本发明改装之前的、在相同发动机速度和歧管压力下的标准燃油数值。
表1-燃油数据表
表2-燃油数据表(已有技术)
表1和表2的比较结果表明与非本发明的同一发动机(表2)相比，就每一工况而言，向本发明的350Chevy发动机(表1)的燃烧室所提供的燃油较少。对利用本发明的350 Chevy发动机的试验证明与非本发明的同一发动机相比，其燃油效率提高了大约30％至80％，同时仍能提高输出功率并减少发动机的有害排放物。
每一预编程计算机芯片58(图4)和辅助计算机芯片70(图5)还借助一点火正时数据表来进行编程，该数据表可以控制何时向一传统线圈(例如15000伏特的线圈)向火花塞18(图3)提供电流，以便在火花塞处产生火花。火花生成的正时还是发动机歧管压力和发动机速度的函数。相对于活塞在燃烧室内的位置而言的火花产生的正时在点火正时数据表中是以活塞到达上止点位置(即在活塞行程的顶部)之前的曲柄角度这一传统方式来表示的。因此，点火正时数据表内的数值0(零)表示在上止点处产生火花。
表3(下文)中示出了用于本发明的350Chevy发动机的一个点火正时数据表。为比较起见，图4(下文)中示出了用于非本发明的同一350Chevy发动机的一个点火正时数据表。
表3-点火正时数据表
表4-点火正时数据表(已有技术)
在预编程计算机芯片58(图4)和辅助计算机芯片(70)内的点火正时数据表是构造成这样，即，当活塞位于或上止点之前至少11度或以内的位置上时，火花塞18(图3)产生一火花并点燃空/燃混合物。于是，利用本发明的350Chevy发动机可以在燃烧稀薄空/燃混合物内的少量燃油时实现较高的输出功率。
表3和表4的比较表明预编程计算机芯片58(图4)和辅助计算机芯片70(图5)内的点火正时数据表设设定成这样，即，与非本发明的传统发动机相比，在歧管压力和发动机速度相同的情况下，本发明的发动机是在活塞更靠近上止点时产生火花。只有当压力较高(90 KPa-100KPa)发动机速度较低(800-1200rpm)是例外。
与非本发明的发动机相比，本发明还允许发动机在较冷的情况下运行。试验证明与非本发明的350Chevy发动机相比，在本发明的350Chevy发动机的排气歧管内的排气温度降低大约44.9％至46.7％。本发明的350Chevy发动机的排气温度大约是319°F至360°F，而非本发明的并且利用出厂参数的同一发动机在同一时间段内运行时的排气温度是大约535°F至600°F。因此，本发明的发动机可在相当低的温度下工作。此外，应该理解，排气温度降低可以减少在发动机工作过程中形成和排放的NOx。
为了如上所述的那样增大功率和燃油效率并减少有害排放物，可以用来自本发明火花塞18的高能电火花来引爆空燃比为20∶1至45∶1的空/燃混合物，以便使空/燃混合物快速并完全燃烧。如图6所示，火花塞18具有一金属外壳80，在该外壳上带有一从外壳下端延伸的螺纹金属下半体82，以及一瓷制绝缘体84。瓷制绝缘体84穿过螺纹下半体82、金属外壳80，并从金属外壳的上部向上延伸。一个上端子86穿过并离开瓷制绝缘体84向上伸出。上端子86适于联接一传统线圈(未示)，例如可向火花塞18提供电流的传统的15,000伏特的线圈。
上端子86电气连接于一中心电极88，该中心电极穿过瓷制绝缘体84向下延伸，并终止在瓷制绝缘体84下方的一个位置上。该中心电极的底端具有一加大的发火花表面90，该表面与一接地电极92沿轴向隔开，所述接地电极连接于火花塞18的螺纹下半体82。中心电极的发火花表面90通过一加大的放电间隙(也称作跳火间隙)94与接地电极92隔开。
中心电极88是一个大致呈圆柱形的导电元件，其发火花表面90的直径是在大约4.0mm至7.5mm(包括该两数值，若非特别注明，下文中的数值范围均如此)之间，较佳的是在大约4.0mm至6.7mm之间，更好的是在大约4.0mm至4.5mm之间。在图6所示的实施例中，中心电极的发火花表面90的直径是大约4.0mm。中心电极的直径沿其长度方向基本保持恒定，但在可供选择的实施例中，中心电极的包括发火花表面90的底端是加大的，中心电极的其余部分则具有较小的横截面积。
为说明起见，在图8中示出了一个传统火花塞204的一中心电极200和接地电极202。传统的中心电极200的直径大约是2.0mm。将根据本发明实施例的火花塞18(图6)与传统的火花塞204(图8)作比较，本发明实施例的中心电极88及其发火花表面90的直径比传统火花塞的中心电极200要大大约2.0至3.75倍。中心电极88和发火花表面的表面积大约是12.568mm2至44.156mm2，这比传统火花塞的中心电极200的横截面积3.142mm2要大大约4.0至14.053倍。
该实施例中火花塞18的中心电极是用钢合金Inconell600制成。在可供选择的实施例中，中心电极88是用其它导电材料制成，包括铂、银、钢或其它金属合金。
由图7清楚可见，本发明的接地电极92是L形的，其一端连接于螺纹下半体82。接地电极92具有一大致圆柱形的自由端部96，该端部具有一火花接地表面98，该表面通过放电间隙94与中心电极的发火花表面90隔开。接地电极的自由端部96及其火花接地表面98的直径是大约4.0mm至7.5mm。为比较起见，图8所示接地电极202的自由端的宽度是大约2mm至3mm。
图6和图7所示接地电极的火花接地表面98的表面积大致等于或大于中心电极的发火花表面90。在所示实施例中，中心电极的发火花表面90和接地电极的火花表面98都基本上是平的并且相互平行，它们的直径是大约4.5mm。因此，发火花表面90和火花接地表面98的表面积大致相同，在发动机的工作过程中，于该两表面之间产生电火花。
在发火花表面90和火花接地表面98之间延伸的跳火间隙94的宽度至少是大约1.8mm，更好是在大约2.0mm至3.0mm。在所示实施例中，跳火间隙94是大约2.0mm。为比较起见，图8所示的传统火花塞204的跳火间隙206是大约0.8mm。因此，该实施例的火花塞18的跳火间隙94的宽度比传统的跳火间隙大2.25至3.75倍。这种加大的火花间隙与中心电极的发火花表面和接地电极的火花接地表面98相结合而限定了一个加大的圆柱形引爆区域100，其体积是大约22.62mm3或更大，在火花塞18的工作过程中，电火花在该区域内延伸。
本发明火花塞的加大的跳火间隙94与中心电极的加大的发火花表面90相结合可允许在跳火间隙内的电压到达汽油或空/燃混合物电离点之前在中心电极的发火花表面90上建立较大的电火花放电。一旦到达电离点，就会以一个或多个电火花的形式越过间隙放电。因此，中心电极的火花表面90的较大面积可以提供一个电容效应，从而储存更多的能量并且在到达电离点时基本同时释放，这样就在中心电极88和接地电极92之间造成一高能放电。因此，与传统火花塞所产生的火花相比，越过火花塞18的跳火间隙94的电火花更大、更热并且更强。
火花塞18产生的更大、更热、更强的电火花将会导致稀薄的空/燃混合物在燃烧室内更快速地引爆，这将使火焰前锋更快速地生长而穿过空/燃混合物，并使发动机的输出功率更大。引爆较快速是因为有更多的空/燃混合物同时引爆从而使燃烧其余混合物的所需的时间变少。更大、更热、更强的电火花还使空/燃混合物基本上完全燃烧，从而令发动机的有害排放物减至最少。
为比较起见，图8所示的传统火花塞204具有0.8mm的小间隙以及一具有较小发火花表面的中心电极，因而在中心电极200处达到汽油或空/燃混合物在跳火间隙206内的电离点所需的能量较少。因此，只需一个不太强的较细小的火花208就足以跳过该跳火间隙。不太强的火花在大气状况下通常是蓝色的或部分桔黄色的。当在例如120psi的压力下产生火花时，低能火花减弱并难以看见。
试验表明本发明的火花塞可在大气状况下产生越过大跳火间隙94的大的、白色的电火花。与传统火花塞所提供的蓝色或桔黄色的火花相比，白色的电火花更热、更高能并且更强。本发明火花塞的白色电火花的长度大约是传统火花塞的蓝色或桔黄色火花的2.25至3.75倍。因此，本发明的火花塞18可借助较大的表面积产生高能的热电火花，从而能基本同时引爆更多的空/燃混合物，因此，只需要较短的时间就可以引爆燃烧室内所有的空/燃混合物。试验还表明由火花塞产生的大的白色电火花在例如高达120psi的压力下会变得更亮，并且呈羽毛状或沿径向膨胀。因此，火花塞18的性能就得以增强，而不是像传统火花塞那样使火花在压力下减弱。
试验还表明在选定的时间内，例如在1秒的1/60或1/125的时间内，火花塞18在大约120psi的压力状况下可在引爆区域内产生多个高能白色电火花。火花塞所产生的这些火花放电通常来自于用来驱动普通火花塞的常用15,000伏特至30,000伏特的线圈所产生的电流。因此，当把火花塞18改装到一车辆上以获得本发明的各种好处时，并不需要一高压线圈来驱动。
电压测试证明该实施例的火花塞18(即，具有Inconell600制的中心电极88，且该中心电极的直径为4.5mm的发火花表面90通过大约2.0mm的跳火间隙94与火花接地表面98隔开)在近似大气状况下只需要3千伏(KV)就可以产生越过跳火间隙94的高能白色电火花。相同的火花塞18在大约120psi的压力状况下需要6KV即可产生越过跳火间隙94的电火花。
借助四个传统的火花塞，即ACCEL、A/C Dclco、Splitfire和Silverstone火花塞来进行相同的电压测试，以上火花塞均具有大约0.76mm至0.8mm的小得多的跳火间隙。ACCEL火花塞在大气状况下需要3KV来发火花，在120psi的压力状况下需要4KV来发火花。A/C Dclco火花塞在大气状况下需要5KV来发火花，在120psi的压力状况下需要8KV来发火花。Splitfire火花塞在大气状况下需要6KV来发火花，在120psi的压力状况下需要9KV来发火花。Silverstone火花塞在大气状况下需要7KV来发火花，在120psi的压力状况下需要10KV来发火花。
与利用传统火花塞的同一发动机相比，本发明的火花塞18还允许发动机运行的温度较低。与传统的火花塞相比，火花塞18可产生更大、更热和更高能的电火花，可以更快地引爆空/燃混合物。于是，有更多的空/燃混合物可以基本上同时引爆，并且火焰前锋的生长更快，只需要较少的时间就可以使空/燃混合物基本完全燃烧。此外，更大、更热和更高能的电火花可以将更多的热能传递给空/燃混合物，从而加速火焰前锋的生长，并提供更有效和完全的燃烧。此外，可以将燃烧产生的更多热量或热能转换成活塞在气缸内的向下冲程中所需的动能。因此，排气温度较低，发动机运行温度较低。
由图3清楚可见，火花塞18通常是这样定位的，即，加大的中心电极88和接地电极92位于燃烧室17的顶部。火花塞18可产生大的、白色高能电火花，该火花越过跳火间隙94并引爆稀薄的空/燃混合物，从而驱动活塞30从气缸29内接近上止点的位置向下运动，以实现发动机的大功率输出。
对具有这样一种350Chevy发动机(即具有构造成能提供大约30∶1的空燃比的ECM，并具有本发明的改进型火花塞18)的车辆进行的试验证明在不同的行驶工况而言，功率提高25％至30％，燃油效率提高大约30％至80％。对该350Chevy发动机的有害排放物的测试证明碳氢化合物的排放量在怠速(800rpm)情况下从每百万单位161份(ppm)降至6ppm，而在常速(2400rpm)情况下是从18ppm降至3ppm。发动机的一氧化碳的排放量在怠速情况下从0.06％降至0.0％，在常速情况下从0.03％降至0.0％。因此，可以证明，本发明的发动机可以增大输出功率和燃油效率，并减少有害排放物。
由图9清楚可见，根据本发明一变化型实施例的火花塞110具有一金属外壳112，该外壳具有一带螺纹下端116的下半体114。一瓷制绝缘体118穿过金属外壳112，并从金属外壳112的上部伸出。一上端子120从瓷制绝缘体118的顶端伸出，该上端子连接于一个向下穿过瓷制绝缘体和螺纹下半体114的中心电极122。瓷制绝缘体118具有一下绝缘套筒124，该套筒穿过金属外壳的螺纹下半体114，以便使中心电极122与金属外壳112绝缘。
中心电极122具有一轴部126，该轴部从上端子120穿过下绝缘套筒124，最后至加大的底端部128。中心电极的底端部128具有一平的发火花表面130，该表面通过一加大的放电间隙134与一接地电极132隔开。在该实施例中，中心电极的轴部126的直径是大约3mm，中心电极的底端部128的直径是大约4.0mm至7.5mm。在一变化型实施例中(未示)，轴部126和底端部128的直径是大约4.0mm至7.5mm，轴部和底端部的尺寸没有差别。
由图9清楚可见，中心电极底端部128凹入下部的绝缘瓷制套筒124内。绝缘套筒124穿过金属外壳的螺纹下半体114，经过中心电极的底端部128，并终止在底端部128和接地电极132之间的一个位置上。因此，底端部的发火花表面130向下部绝缘套筒的下端138凹入一选定的距离。在图9所示的实施例中，底端部的发火花表面向瓷制套筒的下端130凹入的距离是大约0.5mm。然而，在其它一些实施例中，凹入的深度可以大于或小于0.5mm。
凹陷的发火花表面130面对着接地电极132，因而火花塞110所产生的电火花在发火花表面和接地电极132之间延伸，不会向螺纹下半体114放电弧。在该实施例中，发火花表面130与接地电极132隔开，限定了一个大约3.0mm的放电间隙134。在另一些实施例中，放电间隙至少是2.5mm或更大。
该变化型实施例的火花塞110的外部尺寸和构造可允许其很方便地改装到一传统的发动机内，因为与传统的火花塞相比，接地电极132没有从火花塞的螺纹下半体114伸出很多以便增大间隙尺寸。于是，火花塞110所提供的具有较大发火花表面130的中心电极122可允许一大的高能电火花越过间隙134，从而能更快速和有效的引爆稀薄空/燃混合物。
由图10清楚可见，在一变化型实施例中，中心电极的底端部128的发火花表面130的形状大致是椭圆的或圆钝的D形，以便有一个相对较大的表面积对着接地电极。发火花表面130也可以采用其它形状来提供大的高能电火花。
由图11清楚可见，根据一另一实施例的内燃发动机150具有一化油器152，它可计量燃油流量以控制与空气混合的燃油数量，并将空/燃混合物输送至燃烧室，且控制该空/燃混合物的空燃比。该化油器152是一个固定喉管式化油器，它具有一针阀154、一浮子室156、一浮子158、一主量孔160、一空气量孔162、一改进的主喷嘴164、一小喉管166、一大喉管168、一阻风门170、一节气门172、一通气孔174、以及一传统设计的加速泵176。标号A和M分别表示空气和空/燃混合物的流动方向。改进的主喷嘴164具有非常小的出口，以便限制从中喷出的燃油流量而提供一个非常稀薄的空/燃混合物。在一实施例中，主喷嘴164是这样一个出口孔，即，其尺寸可允许燃油通过并与空气混合而提供一个至少为20∶1，较佳的是大约20∶1至45∶1的空燃比。
从主喷嘴164喷出的细微雾化的燃油与空气A中的氧气混合，合成的空/燃混合物M通过节气门172进入燃烧室(未示)。在具有该化油器152的实施例中，内燃发动机150包括如上讨论的能产生大的高能电火花的火花塞18。每一个火花塞18都定位成可在燃烧室内产生电火花。燃烧室内的空/燃混合物M由所述的大的、热的电火花引爆，空/燃混合物迅速地、爆炸性地、有效地燃烧，从而产生较高的输出功率，减少发动机的有害排放物，同时维持较高的燃油效率。
如图3、6、7、9和10所示的火花塞18适于改装到具有燃油喷射系统或化油器的传统内燃发动机内。因此，只要用本发明的火花塞18替换传统的火花塞，就可以对现有的内燃发动机进行改装。化油器或燃油喷射系统可以用人工调节，或通过改进ECM或其它控制组件而提供一大约为20∶1至45∶1的空燃比来调节。
因此，本发明可提供较高的燃油燃烧效率，并大大提高燃油效率。此外，与传统的发动机相比，内燃发动机可以在较低温度下运行，并且大大减少不希望有的废气排放。于是，可以省略内燃发动机上用来减少有害物排放的构件，例如催化式排气净化器。此外，具有本发明燃油供应组件的内燃发动机由于可实现燃油的完全燃烧而不会被碳或类似物污染，因而可延长发动机使用寿命。此外，对排气消声器的污染也被大大减弱。
对熟悉本技术领域的人员而言，可以在以上描述的基础上作出很多改动和变型。因此，应该理解，这些改动、变型或等价变换应该落入如所附权利要求限定的本发明的实质和保护范围内。
权利要求
1．一种由来自一燃油源的燃油提供动力的内燃发动机组件，包括一发动机，它具有一带有一燃烧室的活塞气缸，以及一与所述燃烧室连通以将空/燃混合物输送至燃烧室的空/燃混合区域；一连接于所述发动机并联接于所述燃油源的燃油输送系统，该燃油输送系统将选定数量的燃油输送至所述混合区域，以便与空气混合而形成空/燃混合物，燃油的量是选定为能提供至少为20∶1的空燃比；以及一连接于所述发动机并定位成能在燃烧室内产生一电火花的电火花发生装置，该电火花发生装置具有一对电极，它们相互隔开一个宽度至少为2.0mm的放电间隙，并且定位成能在产生一越过该放电间隙的电火花时引爆空/燃混合物。
2．如权利要求1所述的内燃发动机组件，其特征在于，所述燃油输送系统包括一燃油喷射器和一将该燃油喷射器连接于燃油源的燃油管路，所述燃油输送系统包括一燃油流量控制装置，该装置可控制流过燃油喷射器的燃油数量。
3．如权利要求2所述的内燃发动机组件，其特征在于，所述燃油流量控制装置是一电子控制模块，该控制模块包括一借助选定的数据来编程的存储器，以便控制燃油量而将空燃比控制成至少是20∶1。
4．如权利要求1所述的内燃发动机组件，其特征在于，由所述燃油输送系统输送的选定燃油数量可以提供大约20∶1至45∶1的空燃比。
5．如权利要求1所述的内燃发动机组件，其特征在于，所述电火花发生装置是一火花塞，该火花塞包括一具有一个发火花表面的中心电极以及一具有一个火花接地表面的接地电极，所述火花接地表面与所述发火花表面通过所述放电间隙隔开，所述发火花表面的表面积至少是大约12.568mm2。
6．如权利要求5所述的内燃发动机组件，其特征在于，所述中心电极的直径是大约4.0mm。
7．如权利要求5所述的内燃发动机组件，其特征在于，所述中心电极是由Inconell 600钢合金制成的电极。
8．如权利要求1所述的内燃发动机组件，其特征在于，所述电火花发生装置是一火花塞，它具有通过放电间隙相互间隔的一中心电极和一接地电极，所述中心电极的直径是大约4.0mm至7.5mm。
9．如权利要求1所述的内燃发动机，其特征在于，所述电火花发生装置是一火花塞，它具有通过放电间隙相互间隔的一中心电极和一接地电极，所述放电间隙的宽度是大约2.0mm至3.0mm。
10．一种可节省燃油并增大功率的组件，该组件连接于一内燃发动机，该发动机具有一燃油输送系统，它可为输送至一燃烧室的空/燃混合物提供燃油，该燃油输送系统联接于一电子控制模块，它可控制燃油输送而形成空/燃混合物，所述组件包括一可联接于电子控制模块的存储装置，该存储装置借助选定的数据来编程，以便控制空/燃混合物的形成，使得所述空/燃混合物具有至少为大约20∶1的空燃比；以及一可连接于发动机并靠近所述燃烧室的电火花发生装置，该电火花发生装置具有一对通过一至少为大约2.0mm的间隙相互隔开的电极，该电火花发生装置适于产生一越过该间隙的电火花，以引爆空/燃混合物。
11．如权利要求10所述的组件，其特征在于，所述存储装置是一可取下地连接于所述电子控制模块的计算机芯片，该PROM借助选定的数据编程，以提供大致为20∶1至45∶1的空燃比。
12．如权利要求10所述的组件，其特征在于，所述电火花发生装置是一火花塞，它具有通过所述间隙相互隔开的一中心电极和一接地电极，所述中心电极具有一表面积大约为12mm2的火花发生表面。
13．如权利要求12所述的组件，其特征在于，所述中心电极的直径至少是大约4.0mm。
14．如权利要求10所述的组件，其特征在于，所述电火花发生装置是一火花塞，它具有通过所述间隙相互隔开的一中心电极和一接地电极，所述间隙的宽度是大约2.0mm至3.0mm。
15．一种由来自一燃油源的燃油来提供动力的内燃发动机组件，包括一发动机，它具有一带有一燃烧室的活塞气缸、一进气口、以及一与所述进气口和所述燃烧室连通以将空/燃混合物输送至燃烧室的空/燃混合区域；一连接于所述发动机和所述燃油源的燃油输送系统，该燃油输送系统具有一将燃油引向燃油混合区域的燃油输送喷嘴，该输送喷嘴是定位成能将选定数量的燃油输送至所述混合区域，以便与来自进气口的空气混合而形成空/燃混合物，从而提供一个空燃比至少为大约20∶1的空/燃混合物；以及一电火花发生装置，它连接于所述发动机，并定位成能在燃烧室内产生一电火花以便引爆燃烧室内的空/燃混合物，该电火花发生装置具有一第一电极和一第二电极，其间限定了一放电间隙，所述第一电极的直径至少是大约4.0mm。
16．如权利要求15所述的内燃发动机组件，其特征在于，所述燃油输送系统是一燃油喷射系统。
17．如权利要求15所述的内燃发动机组件，其特征在于，所述燃油输送系统是一化油器。
18．如权利要求15所述的内燃发动机，其特征在于，所述电火花发生装置是一火花塞。
19．如权利要求15所述的内燃发动机组件，其特征在于，所述第一电极具有一大致平的发火花表面，第二电极是一接地电极，它具有一平行并面对所述发火花表面的大致平的火花接地表面。
20．如权利要求15所述的内燃发动机组件，其特征在于，所述第一电极是一Inconell 600钢合金电极。
21．如权利要求15所述的内燃发动机组件，其特征在于，所述电火花发生装置是一火花塞，它具有一本体部分和一绝缘体，所述绝缘体连接于本体部分并终止在一敞口端，所述第一电极是一中心电极，它穿过所述绝缘体并终止在与第二接地电极相对的发火花表面处，中心电极的发火花表面向绝缘体的敞口端部分凹入一选定距离，从而形成部分伸入绝缘体敞口端的放电间隙。
22．如权利要求15所述的内燃发动机，其特征在于，所述选定的空燃比是大约20∶1至45∶1。
23．一种火花塞，包括一本体；一绝缘体，它连接于所述本体，并终止在一敞口端部；一中心电极，它连接于所述绝缘体并且不与所述本体导电接触，所述中心电极的一端具有一向绝缘体的敞口端部凹入一选定距离的发火花表面；以及一接地电极，它连接于所述本体，并具有一火花接地表面，该表面面对中心电极的发火花表面并与之间隔一选定的距离，从而在两者之间形成一个部分伸入绝缘体敞口端部的跳火间隙。
24．如权利要求23所述的火花塞，其特征在于，所述中心电极发火花表面的表面积至少是大约12.568mm2。
25．如权利要求23所述的火花塞，其特征在于，所述中心电极的发火花表面的直径至少是大约4.0mm。
26．如权利要求23所述的火花塞，其特征在于，所述中心电极是用Inconell600钢合金制成的电极。
27．如权利要求23所述的火花塞，其特征在于，所述跳火间隙至少是大约2.0mm。
28．如权利要求23所述的火花塞，其特征在于，所述跳火间隙是大约2.0mm至3.0mm。
29．一种用于在内燃发动机的燃烧室内引爆空/燃混合物的方法，包括如下步骤向燃烧室提供选定的空燃比至少是20∶1的空/燃混合物；借助一电火花发生装置在燃烧室内产生一电火花，所述电火花发生装置具有一第一电极，它具有一与一接地电极隔开一至少为1.8mm的选定宽度间隙的发火花表面，所述发火花表面的表面积至少是12.568mm2；以及借助所述电火花引爆所述空/燃混合物。
30．如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述提供空/燃混合物的步骤包括提供具有选定空燃比为大约20∶1至45∶1的空/燃混合物。
31．如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述产生一电火花的步骤包括产生一越过宽度为大约1.8mm至3mm的放电间隙的电火花。
32．如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述产生一电火花的步骤包括产生一越过所述放电间隙的白色电火花。
全文摘要
一种燃烧来自一燃油源的燃油的内燃发动机,包括一发动机,该发动机包括具有一活塞气缸的气缸体组件、一联接于所述活塞气缸的燃烧室、以及一连通于所述燃烧室以便将一空/燃混合物输送至燃烧室的空/燃混合区域。一燃油输送系统连接于所述气缸体组件,该燃油输送系统适于将选定量的燃油输入混合区域,以便在那里与空气混合而提供一个空燃比大约为20∶1至45∶1的空/燃混合物。一火花塞连接于气缸体组件,并定位成能在所述燃烧室内产生一火花来引爆空/燃混合物。火花塞具有通过一大约为1.8mm至3.0mm的跳火间隙而沿轴向相互隔开的一中心电极和一接地电极。在一实施例中,中心电极是由Inconell600的钢合金制成,其直径为4.0mm至7.5mm。在一实施例中,一电子控制模块(ECM)联接于发动机以控制工作参数,该ECM具有一PROM,这个PROM是编程为能控制形成空燃比为20∶1至45∶1的空/燃混合物。
文档编号F02D43/00GK1236494SQ97197306
公开日1999年11月24日 申请日期1997年6月17日 优先权日1996年6月17日
发明者H·P·芒策尔, E·P·兰普雷希特, E·昆特 申请人:比斯尼斯毛列格股份有限公司