受控火花点火火焰核心流动的制作方法
【专利说明】受控火花点火火焰核心流动
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求了2013年3月15日提交的美国专利申请N0.13/833，226的优先权，其作为2011年3月8日提交的共同待决的美国专利申请N0.13/042，599的部分继续申请且要求了其权益，所述美国专利申请N0.13/042，599要求了 2010年11月23日提交的美国临时专利申请N0.61/416，588的权益。2013年3月15日提交的美国专利申请N0.13/833，226也是2012年I月1日提交的共同待决的美国专利申请N0.13/347，448的部分继续申请且要求了其权益，后者是2011年3月8日提交的美国专利申请N0.13/042，599的部分继续申请，所述美国专利申请N0.13/042，599要求了 2010年11月23日提交的美国临时专利申请N0.61/416，588的权益。
[0002]此申请要求了2013年10月3日提交的美国专利申请N0.14/045,625的优先权，其作为2013年3月15日提交的美国专利申请N0.13/833，226的继续申请，所述美国专利申请N0.13/833，226是2011年3月8日提交的共同待决的美国专利申请N0.13/042，599的部分继续申请且要求了其权益，所述美国专利申请N0.13/042，599要求了 2010年11月23日提交的美国临时专利申请N0.61/416,588的权益。作为2013年3月15日提交的美国专利申请N0.13/833，226的继续申请的2013年10月3日提交的美国专利申请N0.14/045,625也是2012年I月1日提交的共同待决的美国专利申请N0.13/347，488的部分继续申请且要求了其权益，所述美国专利申请N0.13/347,488是2011年3月8日提交的美国专利申请N0.13/042,599的部分继续申请，所述美国专利申请N0.13/042，599要求了 2010年11月23日提交的美国临时专利申请N0.61/416，588的权益。
技术领域
[0003]本说明书涉及用于内燃机的火花塞。
【背景技术】
[0004]以例如天然气的气体燃料运行的发动机通常被供给以稀薄燃料混合物，所述燃料混合物是空气和燃料的混合物，所述混合物包含超过“在化学上恰当的”或化学计量比的量的过多的空气。稀薄燃料混合物经常导致例如缺火、不完全燃烧的不良燃烧和不良的燃料经济性，且改进燃烧的努力经常导致爆震或使用高能火花，这导致火花塞的短寿命。可能导致此情况的一个因素是常规火花塞有效且一致地点燃在运行的发动机的气缸内的稀薄燃料混合物的能力差。稀薄燃料混合物的更有效的燃烧可使用预燃烧室或预燃室来实现。
[0005]预燃室火花塞典型地用于促进在例如天然气稀薄燃烧发动机或汽车稀薄汽油机的稀薄燃烧发动机中的稀薄可燃性极限。在已知的预燃室火花塞中，例如在美国专利N0.5，554,908中公开的预燃室火花塞中，火花间隙约束在腔内，所述腔具有可代表总发动机气缸排量的相对小的部分的体积。腔的一部分成形为拱顶且具有多种切向引入/喷射孔。在运行期间，当压缩循环期间发动机活塞向上移动时，促使空气/燃料混合物通过引入孔到预燃室内。孔的定向可确定预燃室腔内侧的空气/燃料混合物的运动和在离开预燃室时的反作用射流的运动。
[0006]当预燃室腔内的空气/燃料混合物的燃烧率增加时，结果是更高穿透的火焰射流进入发动机燃烧室中。这些火焰射流改进了发动机以更稀薄的空气/燃料混合物实现在发动机燃烧室内更迅速和可重复性的火焰传播的能力。许多常规的预燃室火花塞具有不可重复的且不可预测的性能特征，这可能导致高于希望的变化系数(COV)和缺火，这是粗糙的测量值。此外，许多常规的预燃室火花塞对于制造变动敏感且遭受差的燃烧气体扫气，这进一步导致增加的C0V。
[0007]火花塞设计中的一个挑战是造成如下的火花塞，尽管在内燃机中新鲜进气将在许多方面(例如，当量比、湍流、温度、残余物)在各循环中通常不是均匀的或可重复的事实，所述火花塞能够实现在燃烧过程期间的可重复和可控制的点火延迟时间。也希望具有如下火花塞，所述火花塞对于制造或其部件或组件中的变化相对不敏感。
[0008]火花塞设计中的另一个挑战是过早的火花塞磨损。典型地，过早的火花塞磨损由于化学计量比混合物的高的燃烧温度导致。对于高BMEP发动机应用中的火花塞，在需要更换前仅持续800至1000小时不是不常见的。这可能导致发动机的意外停机，因此导致对于发动机运行者的增加的运行成本。
【发明内容】
[0009]在一些方面中，火花塞可生成高速火焰射流而带有低COV和长运行寿命，其益处可包括主室内的更快的燃烧，从而导致改进的NOx与燃料消耗(或效率)的折衷关系。
[0010]在一些方面中，预燃室火花塞包括金属壳体、连接到壳体的端盖、中心电极和接地电极。另外，预燃室火花塞包括布置在壳体内的绝缘体。在一些实施中，中心电极具有被绝缘体围绕的第一部分和从绝缘体延伸到预燃室内的第二部分。预燃室体积通过外壳和端盖限定。在一些实施例中，接地电极连接到壳体。在一些实施例中，接地电极包括间隔开地围绕中心电极的内环、连接到壳体的外环和多个将内环和外环连接的辐条。在一些应用中，接地电极具有矩形形状，所述形状用于保护通过中心电极和接地电极之间的间隙的引入的中心孔流动(主流动)不受到由于经过侧向孔(副孔)进入的流动导致的湍流的影响。管形空间也引导在外周处的接地电极后方的侧向孔流动以使其在离开间隙时结合火花核心。另外，中心电极具有空气动力学形状，这改进了从中心孔通过间隙的流动流线。
[0011]在另一个方面中，促进内燃机内的燃烧。空气/燃料混合物在预燃室火花塞的预燃室内被点燃。在一些实施中，在预燃室内点燃空气/燃料混合物包括提供第一口以允许第一量的空气/燃料混合物流入到中心电极和接地电极之间的间隙中，带有从预燃室的前室的主要向后的流动方向(更多的流动在此方向上，且在一定的情况中所有流动在此方向上)，且包括在间隙内点燃空气/燃料混合物，其中该点燃产生了火焰核心。此外，火焰核心被传送到预燃室的后室，且第二口允许空气/燃料混合物的次要(侧向)量的流动进入前室中，使得次要量的空气/燃料混合物流到后室以被火焰核心点燃。次流动也可以具有涡旋，所述涡旋用于将所形成的火焰在后室中在方位方向上传播，使得方位均匀性得以改进且在预燃室内生成了进一步加速燃烧的湍流。第一量和第二量的空气/燃料混合物的点燃造成了预燃室内的压力升高，这导致从第一口和第二口发出火焰射流。口孔尺寸和角度可被控制(例如，在一些情况中被改进或优化)，以最大化火焰射流速度和到主室内的穿透，因此促进了主室内的燃烧。孔尺寸控制流入和流出。孔尺寸可被控制(例如，在一些情况中被改进或优化)，以实现希望的发动机特定的点燃延迟时间、射流速度和火焰射流穿透以及因此主室燃烧率。
[0012]在再另一个方面中，预燃室火花塞包括壳体和连接到壳体的端盖。另外，预燃室火花塞包括布置在壳体内的绝缘体。在一些实施中，中心电极具有被绝缘体围绕的第一部分和从绝缘体延伸到预燃室内的第二部分。预燃室通过壳体和端盖限定。在一些实施中，接地电极连接到壳体。在一些实施中，接地电极包括间隔开地围绕中心电极的内环和多个从内环径向向外突出的将内环保持就位的辐条。在一些实施中，每个辐条的端部连接到壳体。
[0013]在另一个方面中，制造了预燃室火花塞。接地电极连接到壳体。在一些实施中，接地电极包括管状电极。在一些实施中，管状电极具有与中心电极具有围绕关系而定位的内环。
[0014]在一些实施中，稀有金属(或贵金属)连接到中心电极且连接到代表了火花表面的接地电极。在制造和组装期间用间隙工具建立了中心电极和接地电极之间的间隙，使得间隙在制造和组装期间被精确地确定，因此降低了对于制造之后重新调整间隙的需求。在一些实施中，在接地电极最终连接到壳体之前将间隙工具插入在中心电极和接地电极之间。在一些实施中，此间隙被最好地维持，如果这是过程中的最终加热步骤。在一些实施中，在连接接地电极之后通过电子束(EB)、水束或其他合适的材料移除方法形成火花间隙，以形成精确的高公差间隙。理想的新火花间隙范围从0.15 mm至0.35 mm。
[0015]在一些实施中，管状接地电极与同心的中心电极的布置造成了通过间隙到接地电极的背侧的流动的条件，所述布置可在不要求火花塞的壳体的气缸盖设计中在预燃室中完成，其中气缸盖预燃室替代了火花塞壳体壁。另外，燃料可添加到预燃室火花塞或气缸盖装置中的预燃室，以进一步延长稀薄运行极限。这些称为“燃料供给”装置。
[0016]在另一个方面中，预燃室火花塞包括壳体、绝缘体、中心电极和接地电极。壳体包括多个通风孔。绝缘体布置在壳体内。中心电极被绝缘体围绕且延伸到被壳体限定的预燃室内。绝缘体同轴地围绕中心电极。接地电极连接到绝缘体且围绕中心电极的远端端部。接地电极包括间隔开地围绕中心电极的管状环，且具有径向偏移的周向延伸部，所述周向延伸部轴向延伸经过中心电极的远端端部从而形成用作空气动力学撞击(ram)区域的几何形状。
[0017]在另一个方面中，促进内燃机内的燃烧。空气/燃料混合物在预燃室火花塞的预燃室内点燃。空气/燃料混合物的点燃包括提供多个通风孔以允许空气/燃料混合物到预燃室的火花间隙内的主流动，以及点燃空气/燃料混合物，其中点燃事件产生了火焰核心。接下来，火焰核心被传送到预燃室的第一级内，其中预燃室的第一级通过布置在连接到与中心电极同轴的绝缘体的接地电极(和中心电极)之间的腔限定，所述腔通过造成再循环区而作为“火焰保持器”工作。在将火焰核心传送到第一级中之后，空气/燃料混合物的次流动从多个通风孔提供到预燃室，使得次流动遍布预燃室的第二级散布，所述第二级通过布置在连接到绝缘体的接地电极外侧的腔限定。最后，火焰核心从第一级行进到第二级，从而将空气/燃料混合物的次流动点燃，导致火焰遍布预燃室传播，将大量燃料在预燃室内点燃，造成大的压力升高且因此造成从多个通风孔发出的火焰射流。
[0018]在另一个方面中，预燃室火花塞包括壳体、绝缘体、中心电极和接地电极。绝缘体布置在壳体内。中心电极具有被绝缘体围绕的第一部分和从绝缘体延伸到被壳体限定的预燃室内的第二部分。接地电极连接到绝缘体且包括间隔开地围绕中心电极的内环从而形成火花间隙。
[0019]在一些方面中，激光束聚焦在间隙表面之间的位置处，取代电火花，来将AFR加热到点燃温度，且以光子取代电子造成火焰核心。一些实施包括导致激光束且将其聚焦在间隙区域内的装置。激光束点火的益处是对于气缸压力条件的敏感度少得多，而在压力升高时电火花要求更高的电压来实现击穿和火花。激光点火可实现在常规的电子点火系统的击穿电压极限以上的压力下的点火。
[0020]在方面I中，促进发动机运行中的燃烧的方法包括:从发动机的燃烧室接收空气/燃料混合物到火花塞的外壳内并将接收到的空气/燃料混合物在外壳内的火花间隙内点燃;将点燃的空气/燃料混合物以至少为进入外壳内的峰值流速的10%的峰值流速引导通过火花间隙而主要地离开外壳的燃烧室端部。将更多的点燃的空气/燃料混合物从外壳的燃烧室端部引导离开，且在一些情形中全部流动在此方向上引导开。
[0021]根据方面I的方面2，其中峰值流速为5米/秒或更大，且将残余气体从间隙清除。
[0022]根据方面I至2中任一项的方面3，其中火花间隙的高度H为2.5mm或更大，且间隙内的峰值流速为V，且其中