专利名称：对称偶极强电场放电式火花塞的制作方法
技术领域：
本发明系有关一种对称偶极强电场放电式火花塞，尤指一种火花塞点火电极相对应的两端点中心电极及搭铁电极具有相对应的放电刀锋端结构，藉由缩小电极放电作用端的有效截面积，提升放电刀锋端之电荷密度，以快速建立点火电场强度，进而达成提高燃烧效率及节省燃油等功效之技术。
背景技术：
按所知的火花塞结构系应用在车辆或是内燃机的点火系统之中，其主要系以中心电极之第一放电作用面将由点火线圈提供的高电压电极搭铁对电极搭铁之第二放电作用面进行高电压放电，藉以产生点火电弧效应而达到引擎燃爆运转之目的。由上得知，火花塞之点火效能优劣及火花塞点火之准确性将攸关引擎效益及出力的性能表现。有鉴于此，各相关厂商无不卯足全力来创新改善火花塞的放电结构。有一种可以产生多次火花点火的专利前案，如台湾新型专利第71490号『新颖多数点火火花塞』及第 233853号『多火花式火花塞』，其系于上下绝缘体中心设一中心正电极，而于上绝缘体设二中心正电极杆，藉由高压电的感应，使各中心正电极杆之间隙，最外正电极杆与搭铁电极间隙同时做二次以上火花点火。该习用结构虽然具有二次以上的火花点火结构功能，惟其系以中心电极加以延伸，将电荷传递至位平行位置的中心正电极，再对搭铁电极放电，由于电荷只受较高电场之吸引，较高之电场吸引电荷之能力越快，故此专利只是将点火点平移至一侧之电极搭铁而已，并无法对达到第二次点火放电的预期效果，以致第二次点火放电的效能较差。再者，『多火花式火花塞』之习用结构虽然具有二次以上的火花点火结构功能， 由于电荷只受较高电场之吸引，较高之电场吸引电荷之能力越快，故此专利只能朝中心电极放电而无法借由插入电极产生多火花点火，亦无法对达到第二次点火放电的预期效果， 所以前述习用结构有再改良的必要。另有一种可以达到二次点火的火花塞专利前案，如台湾新型专利第372113号『互渗透(互动)双火花火火花塞』，其系于中心电极端面半径位置上开设一圆槽，使中心电极端面形成二个不同大小的点火面。该习用结构系利用尖端放电效应，系使用较小有效截面积之中心电极边缘角落区域先行提升放电电场，然后再向相对大电极区域产生点火放电， 其虽然可利用中心电极边缘角落区域先行提升放电电场；惟，其仅具备单极些微之提升放电电场而已，虽有于点火效应，但无法将电弧密度集中，因此，较无法增加引擎的燃烧效益而使得混合油汽达到完全燃烧之目的，所以该习用结构仍然有再改良的必要。再者，另有一种可以产生电弧放电效果的专利前案，如台湾新型专利公报第 225355『环周式跳火火花塞』、以及新型专利公报第M 351542号『火花塞』，其与上述火花塞最大的差别在于搭铁电极系采用环状设置，并以中心电极之外周面作为放电作用区，以对环形搭铁电极之内周面区域进行高压放电。该习用结构虽然可以产生电弧放电之效果，以增加点火面积增进点火效率，惟，点火点面积增加后，电场密度势必降低，点火点电弧不容易集中及跳火的时间被延迟，容易产生点火不良及不及时的效果，进而影响火花塞的点火效率，所以该习用结构仍然有改善的必要。此外，有多燃点火花塞的专利前案，如中国ZL200920058086.8、 ZL200920058085. 3、ZL200520068930. 7、ZL03249134. 4、ZL02239946. 1、ZL02200024. 0、 ZL94218163. 8及ZL0212U85. 6等专利前案。然而，该等专利前案，主要是将中心电极或搭铁电极设计成多点点火的构造，其并未设计成如本发明的对应刀锋状电极结构。显然，该等前案专利技术，虽具多点点火结构功能，但仍然无法有效快速地增强点火临界电场，而必须藉由增强电压的方式，才能增进点火效能，再者，电荷密度不能增强，点火电弧不能集中，惟其不仅耗能，而且在快速运转时，会有点火时间延长及点火电弧太弱，而造成点火效率不彰及耗油之缺失。而且其若将电极设计成针点构造，并无法承受高压放电，很容易受损而导致放电间隙加大，无法使用，大幅减低其耐用性。尚有一种缩小电极截面积的专利前案，如美国US 5, 461, 210,US 5，461，276及US 7，589，460专利前案，该等专利前案虽然因为缩小电极截面而具有增强临界电场的功能，但其电极末端缩至中心而呈针点状，如前段所述的情形，当长期高压放电后，很容易受损而导致放电间隙加大，造成点火电压提升点火不良及无法使用，大幅减低其耐用性。
发明内容
本发明之一目的，在于提供一种增强点火电荷密度及快速建立有效之电场强度， 提高燃烧效率降低排气污染及节省燃油之火花塞。达成前述功效之技术手段，系包括一中心电极及一搭铁电极，该中心电极之第一放电作用面与搭铁电极之第二放电作用面上分别设有相同数量的第一放电凸部及第二放电凸部，第一放电凸部与第二放电凸部分别呈刀双状，逐一相互对应朝向，且其有效截面积大小分别沿第一放电作用面与第二放电作用面之一法线方向而朝两相对应电极末端逐渐缩小，而于第一放电凸部与第二放电凸部之末端分别形成一直线延伸的一第一刀锋边及第二刀锋边，第一刀锋边与第二刀锋边逐一相对，使中心电极及搭铁电极具有相对应的放电刀锋边结构，以缩小电极作用端的有效截面积，提升放电刀锋边之电荷密度及建立电场强度，进而可达成上述目的。本发明之另一目的，在于提供一种更能快速增强点火电场强度，提高燃烧效率及节省燃油之火花塞。达成前述功效之技术手段，系将中心电极及搭铁电极之放电刀锋边结构，设计成相互对称的构造形态，亦即，第一放电凸部与第二放电凸部，二者自根部至末端的形状系以其法线方向之一垂直面为对称基准面而相互对称，进而可达成上述目的。本发明之另一目的，在于提供一种不仅快速增强有效之点火电场强度，且可确实增加点火电弧集中于作用端，以提高燃烧效率及节省燃油，而且刀锋对称边之辅助，可以确保点火之有效距离。达成前述功效之技术手段，系将电极设计成刀锋边结构，亦即，第一放电凸部与第二放电凸部分别为复数个，且分别等距地分布在第一放电作用面上及第二放电作用面上，进而可达成上述目的。
图1系本发明第一种实施例之立体图；图2系本发明第一种实施例之局部放大图；图3系本发明第一种实施例之局部俯视图4系本发明第二种实施例之立体图；图5系本发明第二种实施例之局部放大图；图6系本发明第二种实施例之局部俯视图；图7系本发明应用时之点火电路原理示意图；图为转速IOOOrpm (频率16. 667-HZ)的测试条件下未改良火花塞的讯号波形分析图；图8b为转速IOOOrpm (频率16. 667-HZ)的测试条件下本发明火花塞的讯号波形分析图；图9a为转速2000rpm(频率33. 333-HZ)的测试条件下未改良火花塞的讯号波形分析图；图9b为转速2000rpm(频率33. 333-HZ)的测试条件下本发明火花塞的讯号波形分析图；图IOa为转速3000rpm(频率50_HZ)的测试条件下未改良火花塞的讯号波形分析图；图IOb为转速3000rpm(频率50_HZ)的测试条件下本发明火花塞的讯号波形分析图；图 1 Ia 为转速 4000rpm(频率66· 667-HZ) 形分析图；图 1 Ib 为转速 4000rpm(频率66· 667-HZ) 形分析图；图 1 为转速 5OOOrpm(频率83· 333-HZ) 形分析图；及图 1 为转速 5000rpm(频率83. 333-HZ) 形分析图。
具体实施例方式A.本发明之技术特征请参看图1-3所示，本发明之火花塞系应用在车辆(例如机车或汽车)或是内燃机的点火系统之中。本发明火花塞之基本构造，包括火花塞本体10、中心电极20及搭铁电极30。本体10系由具绝缘效果的材料所制成，以达到绝缘与耐高温之要求。中心电极20 与点火控制电路电性连接，用以接受来自点火线圈所产生的高压电，而相对搭铁电极30产生高压放电，以进行点火。搭铁电极30与一具螺纹表面340的金属环体34连接，藉由螺纹表面340与引擎壳体螺合锁接，使搭铁电极30得以处于接地形态。本发明之一特色，系利用将中心电极20及搭铁电极30设计成相对应的刀双状放电尖端结构，以缩小两电极作用端的有效截面积，快速增强点火电场强度，进而提高燃烧效率，以达到节省燃油之目的。本发明之另一特色，系将中心电极20及搭铁电极30之刀双状放电尖端结构，设计成相互对称的构造形态，可进一步提升电荷密度，集中点火电弧，提高燃烧效率，达到更为节省燃油之目的。
的测试条件下未改良火花塞的讯号波的测试条件下本发明火花塞的讯号波的测试条件下未改良火花塞的讯号波的测试条件下本发明火花塞的讯号波
本发明之另一特色，系藉由电极上多个刀双状尖端结构，不仅快速增强点火电场强度，且可确实增加点火电荷密度，以提高燃烧效率及节省燃油，而且多个刀双状尖端结构相互辅助，可以确保点火之有效性及减少点火电极点因积碳短路而失去作用。本发明之一特色，第一放电凸部22与第二放电凸部32分别呈刀双状放电结构，其第一刀锋边220及第二刀锋边320沿着一直线延伸，经长时间使用而局部耗损，第一刀锋边 220及第二刀锋边320之间有效的尖端放电点火间隔距离仍未改变(一般规格中，其有效的放电点火间隔距离有4mm、6mm及8mm)，大幅提高使用寿命。而且可以减少积碳。B.本发明第一种具体实施例如图1-3所示，本发明第一种具体实施例，系第一放电作用面21位于中心电极20 之顶部，搭铁电极30之第二放电作用面31位于中心电极20顶部之上方，其中，中心电极20 之第一放电作用面21与搭铁电极30之第二放电作用面31上分别设有相同数量的第一放电凸部22及第二放电凸部32，第一放电凸部22与第二放电凸部32分别呈刀双状的尖端结构，并逐一相对朝向，且其厚度分别沿第一放电作用面21与第二放电作用面31之一法线方向而朝其末端逐渐缩小，而于第一放电凸部22与第二放电凸部32之末端分别形成有厚度缩为最小且平行于一直线延伸一特定长度的一第一刀锋边220及第二刀锋边320，第一刀锋边220与第二刀锋边320逐一平行相对，且每一第一刀锋边220及第二刀锋边320本身延伸的长度大于厚度，而且每一第一刀锋边220及第二刀锋边320的最大厚度小于0. 6mm (最佳为小于0. 2mm)，若由垂直于第一刀锋边220及第二刀锋边320延伸长度方向的一横断面观察，第一放电凸部22与第二放电凸部32的横断面轮廓分别呈一 V字形。本实施例中，第一放电凸部22与第二放电凸部32的形状系以该法线之一垂直面为对称基准面而相互对称，且第一刀锋边220及第二刀锋边320分别与该垂直面平行且等距。再者，本实施例中， 相对应的第一刀锋边220及第二刀锋边320平行于一直线平行延伸，该直线位在第一放电作用面21与第二放电作用面31之法线的一垂直面上，使第一刀锋边220及第二刀锋边320 分别位在一等高面上。其中，第一放电凸部22及第二放电凸部32分别将中心电极20及搭铁电极30以切削加工技术加工技术成型，使第一放电凸部22及第二放电凸部32分别与中心电极20及搭铁电极30为相同材料及一体成型。C.本发明第二种具体实施例如图4-6所示，本发明第二种具体实施例，系有三个第一放电作用面21等圆心角地分布于中心电极20之周面，搭铁电极30之第二放电作用面31有三个，且逐一对朝向中心电极20周面之第一放电作用面21。中心电极20之第一放电作用面21与搭铁电极30 之第二放电作用面31上分别设有一第一放电凸部22及一第二放电凸部32，第一放电凸部 22与第二放电凸部32逐一相对朝向，且其厚度系分别沿第一放电作用面21与第二放电作用面31之一法线方向而朝末端逐渐缩小，而分别呈刀双状尖端结构，且于第一放电凸部22 与第二放电凸部32之末端分别形成有厚度缩为最小且平行于一直线延伸一特定长度的一第一刀锋边220及第二刀锋边320，第一刀锋边220与第二刀锋边320逐一平行相对，且每一第一刀锋边220及第二刀锋边320本身延伸的长度大于厚度，而且每一第一刀锋边220 及每一第二刀锋边320的最大厚度分别小于0. 6mm(最佳为小于0. 2mm)，若由垂直于第一刀锋边220及第二刀锋边320延伸长度方向的一横断面观察，第一放电凸部22与第二放电凸部32的横断面轮廓分别呈一 V字形。本实施例中，第一放电凸部22与第二放电凸部32 的形状系以该法线之一垂直面为对称基准面而相互对称，且第一刀锋边220及第二刀锋边 320分别与该垂直面平行且等距。再者，本实施例中，相对应的第一刀锋边220及第二刀锋边320平行于一直线L平行延伸，该直线L位在第一放电作用面21与第二放电作用面31 之法线的一垂直面P上，使第一刀锋边220及第二刀锋边320分别位在一等高面上。其中，第一放电凸部22及第二放电凸部32分别将中心电极20及搭铁电极30以切削加工技术成型，使第一放电凸部22及第二放电凸部32分别与中心电极20及搭铁电极 30为相同材料及一体成型。D.本发明之实验各式各样的物质可以导电，是依照其物质的原子外围轨道传导带价电子之能阶而定，原子核对外围轨道传导带价电子之束缚力高，物质的导电性就较差，阻抗性能亦较高。 原子核对外围轨道传导带价电子之束缚力低，物质的导电性就较佳，阻抗性亦较小。金属材料为良好导电体是因为在常温下，其外围轨道传导带价电子几乎不受原子核束缚，成为自由电子，故能成为好的导体。在空气中的放电现象是因高电压建立强大的电场，当电场强度达到空气导电的临界电场大小时，使得空气的原子外围轨道传导带价电子脱离原子核之束缚力而导电，通称为电晕放电。另外，尖端放电系指金属尖端因聚集大量电荷，金属尖端表面积较小、电荷密度较高建立较大电场，当金属尖端电场强度增大时，较容易导引相异电荷与之相结合，形成放电现象；避雷针既是使用此种金属尖端原理藉以导引电荷流经避雷针导体而不流经附近建筑物而达到保护建筑物的目的。由以上推论，一般火花塞的点火亦是使用端点放电的原理。点火信号由点火正时角送出，经电子放大器放大讯号后，驱动高压点火线圈，输出高电压至火花塞。电荷流经火花塞中心电极导体，建立一中心电极导体端点电位降，再流至点火电极建立电场，当点火电极两端电场达到引擎汽缸内压缩的混合油气之导电临界电场大小时，点火电极两端同时建立一点火电极电位降，此时电荷经由引擎汽缸内压缩的混合油气开始导电，产生电弧，点燃引擎汽缸内压缩的混合油气使之爆炸燃烧。故整体火花塞之端点总电压降为中心电极导体电位降再加上点火电极电位降。点火电弧的集中性及实时性对于引擎的效益影响非常大， 当汽缸内压缩的混合油气点火电弧火花越集中，其点火效益越高，当点火电场越快建立至引擎汽缸内压缩的混合油气之导电临界电场，点火实时性越好。一般习用火花塞的点火电极端点因为其点火电极相对应端点表面积过大，电荷密度较低，建立达到引擎汽缸内压缩的混合油气之临界导电电场较困难，通常需要较大的高压点火线圈电压来建立达到引起点火电弧的临界导电电场，但是高压点火线圈电压较高也增加了电磁波干扰(Electromagnetic Interference, EMI)的干扰效应，再者；习用火花塞的点火电极相对应端点表面积过大，点火电弧较不易集中，亦降低了点火电弧效益并且高压点火线圈电压较高，亦需要更多时间累积电荷建立电场，容易造成点火延迟，引擎效益降低。本专利使用电场高斯定律(Gaussian Theorem)，在火花塞点火电极相对应的两端点，缩小其有效截面积，用以提升电荷密度，加快建立引擎汽缸内压缩的混合油气之临界导电电场，电荷密度提升，加快电场强度建立，使得火花塞点火电极相对应两端点较容易达到混合油气之导电临界电场，产生点火电弧；再借由刀匁状端点点火结构，导引电弧集中产生，增加点火速度的实时性及准确性，而达到提高引擎汽缸内压缩的混合油气之燃烧效率， 降低引擎排气污染及节省燃油等功效。火花塞点火之基本电路原理如第7图所示，其点火原理，系当火花塞通以电流I 时，会在中心电极产生电荷流动，其电流与通过电荷及时间之关系如公式⑴及O):I=Aq/At (1)Aq= IAt (2)其中，Aq为高压线圈每次点火通过火花塞电极的总静电荷；At为高压线圈每次点火，电荷流过火花塞电极的时间。再者；利用高斯定律(Gauss’ law)如下之公式(3)、⑷及(5)得知；总静电荷固定的条件下，电场f大小与点火电极相对应端点有效截面积i/i呈反比，亦即有效截面积越小，电荷密度越高，混合油气之导电临界电场建立越快，点火电极相对应端点之有效截面积越小，电弧火花越强越集中。
权利要求
1.一种对称偶极强电场放电式火花塞，其包括有一火花塞本体，及设在该本体上的一中心电极及一搭铁电极，该中心电极与该搭铁电极分别具有至少一第一放电作用面及至少一第二放电作用面，该第一放电作用面与该第二放电作用面逐一相对应且间隔有一点火间隙；其特征在于该第一放电作用面与该第二放电作用面上分别设有相同数量的第一放电凸部及第二放电凸部；该第一放电凸部与该第二放电凸部分别呈刀双状尖端结构，并逐一相对朝向，且其厚度分别沿该第一放电作用面与该第二放电作用面之一法线方向而朝其末端逐渐缩小， 而于该第一放电凸部与该第二放电凸部之末端分别形成有厚度缩为最小且平行于一直线延伸一特定长度的一第一刀锋边及第二刀锋边，该第一刀锋边与该第二刀锋边逐一相对。
2.如请求项1所述之火花塞，其中，具有该第一放电凸部之该第一放电作用面位于该中心电极之顶部，具有该第二放电凸部之该第二放电作用面位于该中心电极顶部之上方。
3.如请求项2所述之火花塞，其中，该第一放电凸部与该第二放电凸部分别有复数个， 且逐一相对朝向。
4.如请求项1所述之火花塞，其中，该第一放电作用面有复数个且等圆心角地分布于该中心电极之周面，该搭铁电极之该第二放电作用面有复数个，且逐一朝向该中心电极周面上的该第一放电作用面；每一该第一放电作用面与每一该第二放电作用面上分别设有一该第一放电凸部及一该第二放电凸部。
5.一种对称偶极强电场放电式火花塞，其包括有一火花塞本体，及设在该本体上的一中心电极及一搭铁电极；该中心电极与该搭铁电极分别具有至少一第一放电作用面及至少一第二放电作用面；该第一放电作用面位于该中心电极之顶部，该搭铁电极之该第二放电作用面位于该中心电极顶部之上方；该第一放电作用面与该第二放电作用面逐一相对应且间隔有一点火间隙；其特征在于该第一放电作用面与该第二放电作用面上分别设有复数个第一放电凸部及第二放电凸部；该第一放电凸部与该第二放电凸部分别呈刀双状尖端结构，并逐一相对朝向，且其厚度分别沿该第一放电作用面与该第二放电作用面之一法线方向而朝其末端逐渐缩小，而于该第一放电凸部与该第二放电凸部之末端分别形成有厚度缩为最小且平行于一直线延伸一特定长度的一第一刀锋边及第二刀锋边，该第一刀锋边与该第二刀锋边逐一相对。
6.一种对称偶极强电场放电式火花塞，其包括有一火花塞本体，及设在该本体上的一中心电极及一搭铁电极；该中心电极与该搭铁电极分别具有复数个第一放电作用面及复数个第二放电作用面；该复数个第一放电作用面等圆心角地分布于该中心电极之周面，该复数个第二放电作用面逐一朝向该中心电极周面上的该第一放电作用面且分别间隔有一点火间隙；其特征在于每一该第一放电作用面与每一该第二放电作用面上分别设有一第一放电凸部及一第二放电凸部；该第一放电凸部与该第二放电凸部分别呈刀双状尖端结构，并逐一相对朝向， 且其厚度分别沿该第一放电作用面与该第二放电作用面之一法线方向而朝其末端逐渐缩小，而于该第一放电凸部与该第二放电凸部之末端分别形成有厚度缩为最小且平行于一直线延伸一特定长度的一第一刀锋边及第二刀锋边，该第一刀锋边与该第二刀锋边逐一相对。
7.如请求项1、5或6所述之火花塞，其中，相对应的该第一刀锋边及该第二刀锋边平行于一直线平行延伸，该直线位在该第一放电作用面与该第二放电作用面之该法线的一垂直面上。
8.如请求项1、5或6所述之火花塞，其中每一第一刀锋边及每一第二刀锋边的最大厚度分别小于0. 6mm。
9.如请求项1、5或6所述之火花塞，其中，该第一放电凸部与该第二放电凸部的形状系以该法线之一垂直面为对称基准面而相互对称。
10.如请求项1、5或6所述之火花塞，其中，该第一放电凸部及该第二放电凸部分别将该中心电极及该搭铁电极以切削加工技术成型。
全文摘要
本发明系有关一种对称偶极强电场放电式火花塞，其主要包括一中心电极及一搭铁电极，该中心电极之第一放电作用面与搭铁电极之第二放电作用面上分别设有相同数量的第一放电凸部及第二放电凸部，第一放电凸部与第二放电凸部呈刀刄状，逐一相对应，且其火花塞点火电极相对应的两端点之有效截面积大小分别沿第一放电作用面与第二放电作用面之法线方向而朝末端逐渐缩小，而于第一放电凸部与第二放电凸部之末端分别形成一直线延伸的一第一刀锋边及第二刀锋边，第一刀锋边与第二刀锋边逐一相对，使中心电极及搭铁电极具有相对应的放电刀锋边结构，藉以缩小两电极作用端的有效截面积，提升放电刀锋端之电荷密度，快速建立点火电场强度，进而达成提高燃烧效率及节省燃油等目的。
文档编号H01T13/20GK102545064SQ201010609889
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者苏志超, 蔡政道 申请人:上海慧高精密电子工业有限公司