高功率半表面间隙火花塞的制作方法

高功率半表面间隙火花塞的制作方法
【专利摘要】一种火花塞具有形成在其中的电容器和半表面间隙，其中电容器允许高脉冲放电横跨半表面间隙发生，并且由于高电压和高电流放电所致的洛伦兹力的显著效果引起火花从火花塞的端部向外轴向地投射出去。
【专利说明】高功率半表面间隙火花塞
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2012年1月27日提交的Louis S.Camilli的名为"Surface Gap Pulsed Spark plug"的美国临时专利申请序列号No. 61/591567的优先权和申请权益。

【技术领域】
[0003] 本发明的实施例涉及火花塞，其中火花间隙的一部分包括表面间隙并且一部分包 括空气间隙，因此形成半表面间隙。本发明的实施例还包括具有结合于其中的电容器的半 表面火花塞，由此在火花事件的电子流（streamer)阶段期间会增大电流、并且因此增大火 花功率，并且由于洛伦兹力而感应火花、使其轴向地从火花塞投射出去并且进入发动机汽 缸。火花功率的附加增大生成了比传统的火花塞中遇到的火焰核大得多的火焰核，由此改 善燃料点火，增大燃料燃烧的完全性，并且因此比起传统的火花塞，增大了发动机的燃料效 率和功率输出。

【背景技术】
[0004] 尽管典型的火花塞技术追溯至早期的1950年代，然而最近在火花塞中生成更高 的电容或并联于现有火花塞而附加连接电容器方面仍然有很多的尝试。虽然这些设计增大 了火花的放电功率，但是已知的设计是效率低的、或是复杂且昂贵的。本发明提供了一种简 单和可靠的方法和装置，由此将电容器结合到具有半表面间隙的火花塞中。
[0005] 美国专利No. 3683232、美国专利No. 1148106和美国专利No. 4751430讨论了采用 电容器或容电器以增大火花功率的技术。关于电容器的电气尺寸方面没有公开，而所述电 气尺寸决定了放电的功率。此外，如果电容器具有足够大的电容，在点火变压器输出端和火 花间隙之间的电压降可能妨碍间隙电离和火花的建立。
[0006] 阿姆斯特朗的美国专利No. 3599030描述了与采用电容器放电点火系统的发动机 一起工作的表面-间隙火花塞。阿姆斯特朗的专利教导了通过使用与高张力、快速上升时 间的放电系统耦合的表面间隙设计，而能够避免基本上所有的塞维护。然而，阿姆斯特朗的 专利未教导半表面塞的使用或如何将电容器结合到塞中，其中自动触发的电容器小得多。 因为比起穿过空气间隙的电阻，横跨表面的电阻更小，并且因为阿姆斯特朗的专利仅仅教 导表面-间隙塞，因此阿姆斯特朗的专利中在电弧被引发之前能够生成的最大电压远低于 如果阿姆斯特朗由空气间隙形成全部或至少一部分火花间隙的话将可能生成的最大电压。 此外，因为阿姆斯特朗的专利使用的绝缘体的表面用作散热器、以将热从发弧端子吸走，所 以阿姆斯特朗的专利被迫处理在其外部电极上的碳堆积。再另外，因为阿姆斯特朗的专利 中整个火花间隙由绝缘体的表面形成，并且因为击穿电压因此远低于如果使用空气间隙的 话将经历的击穿电压，所以阿姆斯特朗的专利中塞的火花的总峰值电压和电流也更低。因 为更低的电压和电流，阿姆斯特朗的专利可能经历的任何所产生的洛伦兹力也不足以将火 花提升离开绝缘体的表面并且将其投射离开火花塞而因此进入空气/燃料混合物。
[0007] 美国专利No. 4549114要求保护通过将辅助间隙并入火花塞的主体中来增大主火 花间隙的功率的技术。在单个火花塞中使用两个火花间隙以在利用电子处理控制燃料输送 和火花时序的任何内燃火花点火发动机中点燃燃料的应用证明对发动机的操作是致命的， 因为由两个火花间隙发射的EMI/RFI可能引起中央处理单元出故障。
[0008] 在美国专利No. 5272415中，公开了将电容器附着到非电阻器火花塞中。电容未 被公开，并且没有提到由非电阻器火花塞生成的电磁和无线电频率干扰，这样的干扰如果 未被恰当地屏蔽以防EMI/RFI发射，则可能引起中央处理单元被关闭或甚至引起永久的损 坏。
[0009] 美国专利No. 5514314公开了通过在火花塞的正和负电极的区域中实施磁场来增 大火花的尺寸。该发明还要求保护生成整体电极、集成的线圈和电容器的技术，但未公开形 成各个电气部件的整体导电路径的电阻率值。电气部件导电路径被设计为具有1. 5-1. 9欧 姆/米的电阻率值，以确保正确的工作。由金属陶瓷墨水中固有的陶瓷材料的迁移所致的 路径的任何退化减小了电气装置的功效和操作。此外，还未提到相对地分离整体部件的带 电导电路径的绝缘介质的电压释抑。如果例如含86 %的氧化铝之类的标准陶瓷材料被用于 火花塞绝缘体，介电强度或电压释抑是200伏/密耳。在内燃火花点火发动机中的火花塞 的标准工作电压范围是从5Kv到20Kv，具有在新型汽车点火中能够看到的40Kv的峰值，这 可能使整体电极、集成的线圈和电容器对该水平的电压是不绝缘的。
[0010] 虽然一些常规的半表面间隙塞是已知的，然而，这样的塞仅仅非常有限地用在其 中维持相对恒定的发动机速度的内燃机中。这是因为半表面间隙塞是非常易受污染的影 响，所述污染在遭遇动态发动机速度的发动机中发生。因为大多数发动机，尤其在汽车中的 那些，日常在宽范围的发动机速度下工作，所以已知的半表面间隙塞不能够提供令人满意 的结果，并且因此未被采纳在这样的发动机中使用。脉冲半表面间隙塞的一个益处是在常 规的塞中能够实现更高的峰值电压，因此将更多的点火能量给予空气/燃料混合物并且因 此提高发动机性能。因此，存在对能够用于动态速度发动机中的半表面间隙塞的当前需求。


【发明内容】

[0011] 在工作中，点火脉冲被同时暴露给火花间隙和电容器，因为电容器被并行连接到 电路。随着线圈在电压方面感应地上升以克服火花间隙中的电阻，能量被存储在电容器中， 因为电容器中的电阻小于火花间隙中的电阻。一旦通过电离克服了在火花间隙中的电阻， 则在火花间隙和电容器之间的电阻中存在倒转，这触发电容器非常快地（通常在大约1-10 纳秒之间）在火花间隙上释放存储的能量，使电流达到峰值并因此使火花的峰值功率达到 峰值。
[0012] 优选地，电容器充电到击穿火花间隙所需要的电压电平。随着发动机负载增大，真 空减小，增大了在火花间隙处的空气压力。随着压力增大，击穿火花所需的电压增大，引起 电容器充电到更高的电压。使所得到的放电达到峰值、从而达到更高的功率值。优选地，在 时序事件中不存在延迟，因为随着线圈的电压的上升，电容器同时充电。在塞的半表面间隙 处产生的所得到的更高功率的火花从火花间隙处的绝缘体的表面轴向地投射出去，并且因 此进一步进入被火花塞的尖端触及的发动机汽缸。
[0013] 本发明的目的、优点和新颖特征以及进一步的可应用范围将部分在下文结合附图 做出的详细说明中阐明，并且将部分变得对于在审核下文之后的本领域技术人员来说是清 楚的，或可通过对本发明的实践而被学习到。可凭借在所附权利要求中特别指出的手段和 组合来实现和获得本发明的目的和优点。
[0014] 本发明的目的、优点和新颖特征以及进一步的可应用范围将部分在下文结合附图 做出的详细说明中阐明，并且将部分变得对于在审核下文之后的本领域技术人员来说是清 楚的，或可通过对本发明的实践而被学习到。可凭借在所附权利要求中特别指出的手段和 组合来实现和获得本发明的目的和优点。
[0015] 本发明的实施例涉及具有中央电极、在中央电极的末端端部处至少基本上同心地 围绕中央电极的固体绝缘体、在固体绝缘体的术端端部处至少基本上同心地围绕固体绝缘 体的空气间隙、至少基本上同心地围绕空气间隙的外部电极，其中火花间隙在中央电极和 外部电极之间形成并且包括空气间隙和绝缘体的表面，以及具有形成在火花塞内的电容 器。在一个实施例中，外部电极能够具有一个或多个突起，所述一个或多个突起可被布置在 外部电极的末端端部处。可选地，可存在多于三个的突起，并且可选地，可存在多于五个的 关起。
[0016] 在一个实施例中，电容器的外部板电连接到外部电极，并且固定绝缘体形成电容 器的电介质。可选地，电容器包括两个板并且至少一个板由导电墨形成。中央电极可电连 接到电容器的板。
[0017] 在一个实施例中，外部电极的任何部分未延伸为与一路径交叉，该路径与中央电 极的主轴轴向地对齐。可选地，火花塞还能够具有可连通地耦合到电容器的板的电阻器。并 且，电阻器可被电连接，使得其对抗在电容器的充电期间的电流流动，但不对抗电流从电容 器到火花间隙的流动。
[0018] 本发明的实施例还涉及一种火花塞，该火花塞具有形成在火花塞中的电容器、形 成在火花塞的末端端部上的火花间隙，该火花间隙包括空气间隙和固体绝缘体的表面，并 且其中火花塞的外部导体的末端端部不向着火花塞的内部导体沿径向向内突出。在一个实 施例中，电介质、绝缘体和固体绝缘体都被连接并且都由单块材料形成。
[0019] 本发明的实施例还涉及用于点燃燃料的方法，其包括：在火花塞内形成电容器； 形成半表面火花间隙，以使得在火花塞的工作期间形成的火花沿径向在内部导体和外部导 体之间延伸并且横跨固体绝缘体的表面行进并且横跨空气间隙行进；以及由于作用在形成 火花的电子流上的力的影响，将在火花塞的工作期间形成的火花轴向地从火花塞的端部投 射出去。在一个实施例中，该力可包括洛伦兹力。
[0020] 在一个实施例中，投射火花可包括将火花从火花塞的端部轴向地以一大小为内部 导体和外部导体之间的最近距离的至少1/2的距离投射出去；并且更优选地以一大小至少 等于内部导体和外部导体之间的最近距离的大小的距离投射出去。

【专利附图】

【附图说明】
[0021] 被并入说明书并且形成说明书的一部分的附图示出了本发明的的一个或多个实 施例，并且与说明书一起用作解释本发明的原理。图仅用于示出本发明的一个或多个优选 实施例的目的，并且不被解释为限制本发明。在图中：
[0022] 图1是示出根据本发明的实施例的具有齿冠状负电极的表面-间隙火花塞的图；
[0023] 图2A和2B是示出本发明的半表面间隙火花塞的替代实施例的断面图的图；
[0024] 图3是示出根据本发明的实施例的齿冠状半表面间隙火花塞的侧视图的图；
[0025] 图4A和4B是分别示出被施加到根据本发明的实施例的火花塞的绝缘体上的、通 过导电墨或其他导电涂层的应用而形成的电容器的负和正导电板的图；
[0026] 图5和6分别示出已知火花塞和根据本发明的实施例的火花塞的压力图；
[0027] 图7A-D是示出火花塞的断面透视图以及根据本发明的实施例的多个端部配置的 图；
[0028] 图8A-D是示出已知火花塞（图8A和8B)以及根据本发明的实施例的火花塞（8C 和8D)的测试结果的图；
[0029] 图9是示出由各种已知火花塞并且由根据本发明的实施例的火花塞提供的峰值 电流的比较结果的图；以及
[0030] 图10是示出作用于根据本发明的实施例的火花塞的电弧上的洛伦兹力的效果的 图。

【具体实施方式】
[0031] 本发明的实施例优选涉及一种改进的火花塞，该火花塞具有由空气间隙和表面间 隙形成的火花塞，并且其中该火花塞具有形成在其中的电容器。
[0032] 如在该申请中通篇使用的，术语"电阻器"旨在包括具有至少10欧姆每厘米的电 阻率的任何材料。
[0033] 如在图1-4B中示出的，塞10优选地包括表面火花间隙11，表面火花间隙11优选 由露天部分12和绝缘体30的端表面形成，绝缘体30优选存在于内部导体14和负电极15 之间。在一个实施例中，露天部分12优选由布置在绝缘体30和负电极15之间且在火花间 隙11处的凹进区域形成。可选地，负电极15可仅为外部导体16的端部，或者电极15可以 由电连接到外部导体16的单独材料形成。例如，负电极15可以由贵金属合金形成以减小 腐蚀，贵金属可被焊接或以其它方式附着或形成到外部导体16上。外部导体16优选经由 被拧到接地的发动机本体中的带螺纹部分18与发动机电路接触。在一个实施例中，内部导 体14优选包括电阻器连接材料22和22'、电阻器24、导体26和连接柱28。在该实施例中， 电容器可由绝缘体30、导电涂层32和电阻器24的一部分形成。因为在该实施例中，电阻率 因此确定了电容器的效率，所以可可选地通过由电阻器24形成更多或更少的内部板和/或 通过调整电阻器的电阻率值，来调整电容器的性能。可选地，连接材料22和22'优选地由 导电烧结材料形成，该材料最优选包括铜材料。在另一实施例中，如图7A中最佳示出的，电 阻器的任何部分未用于形成电容器的板。相反，如图4A和4B中最佳示出的，优选将导电涂 层32和33用作电容器的导电板。在替代的实施例中，代替所有或一部分导电涂层33,电容 器的内部板可由导电烧结物122和气密插入物130中为最接近绝缘体30的那些部分形成。 在另一实施例中，代替外部导体16中为最近绝缘体30的那一部分，可省略所有或一部分导 电涂层32。在图4A和4B中，绝缘体30的表面被画上交叉影线，以指示导电涂层32和33 的优选施加区域。到导电涂层32的连接优选被制成经由导电密封物34到达外部导体16。 导电密封物34不仅提供在由导电涂层32形成的电容器板与外部导体16之间的电气连接， 而且其还防止在发动机的使用期间被加热的气体穿过绝缘体30和外部导体16之间。尽管 导电密封物34可由各种材料制成并且将提供令人满意的结果，但是密封物34最优选包括 铜材料。
[0034] 电容器的外部板优选由布置在其上的导电涂层32形成。可选地，涂层32可包括 导电墨，并且涂层32可选地经由喷涂、压印（pad printing)、滚压、浸渍、刷涂或另外的施 加方法被布置在绝缘体30的外侧部分上。在一个实施例中，绝缘体30的外侧直径的一部 分被覆盖，除了预定距离（例如柱28被布置所在的绝缘体30的端部的大约12. 5mm)以及 绝缘体中被暴露在燃烧室中的那部分之外。可选地，导电涂层32包括银或银/钼合金。
[0035] 在一个实施例中，一旦将导电涂层32施加到绝缘体30,通过红外线、天然气、丙 烷、电或能够输送可靠和可控的热量的其它热源，使其经受在大约750°C到大约900°C之间 的温度。取决于导电涂层32和/或33的配方，使绝缘体30优选暴露到热中并且持续大约 10分钟到在大约60分钟以上。这使溶剂和载体蒸发，并且优选将金属分子地结合到绝缘体 30的表面。一旦涂层32和/或33被结合到绝缘体30,板的电阻率等于纯金属的电阻率或 基本上与纯金属的电阻率相同。
[0036] 绝缘体30优选由任何氧化铝、其它陶瓷衍生物或另外的材料制成，其中所述另外 的材料是能够抵抗电流并且能够提供足够的结构品质以向塞10提供实现令人满意的结果 的能力，只要该材料的介电强度足以使与内部燃烧点火的电压绝缘。在一个实施例中，电容 器的外部板被结合到绝缘体30的外侧表面，并且内部板由被结合到绝缘体30的至少一部 分内表面的导电板形成，使用包括绝缘体30的那些相对表面的表面积以及其介电常数及 其厚度的公式来计算电容。取决于板的几何尺寸和绝缘体30的厚度和介电常数，电容器的 电容值可从大约10皮法变化到差不多100皮法。
[0037] 如通过比较图2A和图2B来最佳示出的，导体26优选在其末端端部处包括开口 36。可选地，开口 36可包括平滑和/或导致摩擦的表面，柱28的端部被压入配合或以其它 方式电气或机械地连接到该表面中。可选地，开口 36可具有在其中形成的螺纹38,从而柱 28也可被设置有螺纹40,由此允许柱28被拧入导体26的开口 36中。在另外的实施例中， 开口 36可仅延伸一短距离到导体26中，从而允许柱28的一部分与其啮合，或开口 36可延 伸比容纳柱28的一部分所必须的距离更大的距离。在一个实施例中，可将一个或多个附加 的开口 42布置为至少基本上沿径向穿过导体26的一部分，最优选处于建立开口 36和开口 42之间的可连通连接、以使得这些开口相互交叉的布置中。
[0038] 在一个实施例中，导体26优选包括凹进区域37或另一建立摩擦配置，该配置允许 连接材料22'和/或电阻器24锁定在导体26上。在一个实施例中，由金属物质形成小于 大约75 %、并且更优选地小于大约50 %并且最优选地小于大约25 %的电容器的内部板。在 本发明的一个实施例中，由小于大约10%的金属物质形成电容器的内部板。在一个实施例 中，由阻性材料形成电容器的内部板的至少大约10%，或更优选地至少大约50%，或最优 选地至少大约75%。在一个实施例中，由阻性材料形成电容器的内部板的至少大约90%。
[0039] 如图3中最佳示出的，包括露天部分12和绝缘体端部30的火花间隙11优选围绕 内部导体14的端部同心地形成，使得在内部导体14和负电极15之间的火花优选沿径向在 其间延伸，尽管其优选经由洛伦兹力被轴向地伸长。这不同于常规火花塞的间隙，在常规火 花塞中，火花仅从内部导体轴向地延伸。可选地，负电极15可由外部导体16的一部分形成 (见图2B)。然而可选地，负电极15可由与外部导体16不同和/或分离的材料形成，该材 料包括但不限于鹤、Schwartzkof、（PM 1000)、镍、钼、铱、铼以及其组合物和合金。如果负电 极15由与外部导体16分离的材料形成，负电极15最优选可选地经由激光焊接、摩擦焊接 和机械紧固物附着（包括但不限于压配合、公/母螺纹和其组合等方式），电气和机械连接 到外部导体16。虽然通过提供至少基本上同心圆形状的负电极可获得令人满意的结果，但 是负电极15可替代地具有不同的形状（包括但不限于齿冠状）。可选地，内部导体14和/ 或绝缘体30可被轴向地延伸，使得它们进一步从负电极15突出。替代地，负电极15可被 轴向地延伸，使得其进一步从内部导体14和/或绝缘体30突出。可选地，可将单独块的材 料用于形成内部导体14的端部，例如高温金属和/或合金。可选地，内部导体14可在其端 部具有与其沿着其长度具有的形状不同的形状，例如内部导体14可具有球状的尖端和/或 圆盘状的尖端。在一个实施例中，外部导体16可向着火花塞的电极端逐渐变细。可选地， 在一个实施例中，外部导体16可在塞10的电极端处倚靠绝缘体30安置，使得未设置露天 部分12。因此，虽然优选设置露天间隙12,但是在一个实施例中未设置露天部分12。在该 实施例中，绝缘体30的端表面或另一固体绝缘体表面优选地形成在内部导体14和负电极 15之间的整个间隙。在替代的实施例中，绝缘体30并未自始至终延伸到内部导体14的尖 端，并且因此火花间隙11的全部优选由露天部分12形成。
[0040] 图7A是示出根据本发明的实施例的火花塞10的替代实施例的主体部分105的断 面透视图。可选地，图7B-D中示出的端部配置中的任一个可被布置在主体部分105的端 部上，使得具有常规的J形电极（图7B)、齿冠状半表面间隙电极（图7C)或非齿冠状半表 面间隙电极（图7D)的塞可被形成为根据本发明的实施例的火花塞。再另外，如图7E中 最佳示出的，可设置仅具有小数量的负电极的齿冠状半表面间隙电极。可选地，可设置仅1 个负电极。替代地，可设置仅2、3、4或5个负电极。在一个实施例中，可设置多于5个的负 电极。在一个实施例中，一个或多个负电极可具有非均勻形状，其中该一个或多个负电极的 末端部大于该一个或多个负电极的邻近部分（见图10)。如图7A中示出的，主体105优选 包括如之前所描述的绝缘体30,绝缘体30具有如之前所描述的被施加到其外表面的至少 一部分上的导电涂层32(见图4A)。导电涂层32优选形成电容器的负板。如在图4B的断 面图中最佳示出的，在一个实施例中，电容器的正板33由沿着绝缘体30的与施加负板涂层 32的长度相同的长度施加到绝缘体30的内表面的至少一部分上的导电涂层形成。因此， 绝缘体30优选形成电容器的电介质。在一个实施例中，形成电容器的内部（正）板和外部 (负）板两者的导电涂层优选由导电墨形成。可选地，未将阻性烧结物132用于形成电容器 的内部板的一部分。然而替代地，可将所有或一部分阻性烧结物132用于形成电容器的内 部板的一部分。在一个实施例中，第一和第二导电烧结物122和133优选由导电烧结材料 形成，该材料最优选包括铜材料、银材料、汞齐或其组合物。
[0041] 气密插入物130可由若干导电材料形成。在一个实施例中，气密插入物130最优 选由不锈钢材料形成。阻性烧结物132最优选被夹在第一导电烧结物122和第二导电烧结 物133之间。因此，导电烧结物122和133优选帮助确保导体26、阻性烧结物132、气密插入 物130和内部导体14之间的电气和机械连接。在该实施例中，电容器的内部板的所有或一 部分由非阻性材料形成。因此，阻性材料能够提供在电路位置的阻抗，使得其抵抗对电容器 进行充电的电流的流动，但不抵抗在电容器经由火花间隙11的放电周期期间的电流流动。 优选地，主体部分105的剩余部分与火花塞10的之前描述的实施例一致。
[0042] 图8A和8B示出了从使用现有技术的火花塞的测试中获得的实际测量结果。图8C 和8D示出了在与图8A和8B中使用的测试条件相同的测试条件下，从根据本发明的教导构 造的火花塞获得的实际测量结果。如图8A-D的每个中示出的，图的Y轴表示火花间隙击穿 电压并且X轴表示时间。如可看到的，实质上在火花间隙击穿电压上或在总火花事件时间 上不存在区别，因此如图9中最佳示出的，证明了在根据本发明的教导构造的塞中的电容 器仅在使放电电流达到峰值过程中影响火花的电子流阶段。
[0043] 本发明的实施例在点火系统的高电压侧上并且未在点火的低电压侧上提供电容 器，其中，低电压侧包括小于大约1000伏的电压，并且高电压侧包括大于大约10000伏并且 更优选大于大约25000伏的电压。在一个实施例中，根据本发明的实施例的火花塞未结合 具有电容器的点火电路来使用。在一个实施例中，当连接到常规发动机电路时，塞10提供 具有至少1MW、并且更优选地至少4MW、并且最优选地至少5MW的峰值功率的火花。本发明 的实施例包括为动态速度的发动机的火花塞的半表面间隙形状的火花间隙提供具有至少 1000瓦、更优选地至少100000瓦、甚至更优选地至少1M瓦以及最优选地大约5M瓦的峰值 功率的电火花。在一个实施例中，可在辅助的均匀充电的压缩点火系统中使用本发明的火 花塞。在一个实施例中，可在受迫的半均勻充电的压缩点火系统中使用本发明的火花塞。 图5和6的图示出了比常规火花塞更好的高功率塞点火和燃烧燃料。它们产生更短的燃烧 时间，并且能够点燃贫瘠得多的混合物，因此允许发动机设计者能够增大燃料混合物中的 EGR(废气再循环）百分比，以减小排放并且增大燃料经济性。与化学计量的燃料-氧化剂 比（也称为"稀释度"）相比，将系统的等效比定义为燃料-氧化剂比。在Φ( "Phi"）= 1. 00时，混合物是化学计量的，Phi = 0. 9是指贫瘠的混合物。
[0044] 本发明的实施例能够提供在半表面间隙塞的使用方面的增强的结果，从而允许它 们被采用于要求动态发动机速度的应用中。这是因为由在塞10中形成的电容器提供的增 强的火花不仅产生功率大得多的火花，还引起火花从塞10轻微跳出，并且因此进一步轻微 地投射到塞10所位于的室内。增强的火花功率、由火花建立的更高的压力波和轻微投射的 火花的这一组合实现了更快得多的提前爆炸，并且因此实现了快得多的燃烧时间。更快的 燃烧时间实现了比常规半表面间隙火花塞所遇到的湍流显著更多的湍流。这一增强的湍流 实现两件事。首先，其引起空气/燃料混合物更完全地包围火花塞中突出到发动机汽缸内 的部分，并且增强的湍流使得塞的火花间隙能够维持相对少的沉积物和堆积物。
[0045] 在一个实施例中，本发明的火花塞能够点燃在动态发动机速度条件下遇到的非化 学计量的空气/燃料混合物。对于以下操作范围：轻负载-低RPM到高负载-高RPM以及所 有其他排列，具有常规的j间隙的火花塞的脉冲激发的塞通常实现从大约5kV到大约25kV 的击穿电压。击穿电压越高，电容器中存储的用于放电的能量越大。在相同工作条件下，半 表面间隙在击穿之前要求大约20kV到大约28kV的电压。因此，对于所有工作条件，半表面 间隙将更多能量耦合到燃料供给中。在另外的实施例中，塞10比起常规J间隙的塞，较少 地突出到汽缸中。因此，对于旋转发动机和非常高的压缩空转发动机，塞10较少地进一步 突出到汽缸中，并且因此避免活塞头空隙问题。在一个实施例中，根据本发明的实施例的火 花塞并不改变火花间隙击穿电压。在一个实施例中，根据本发明的实施例的火花塞并不改 变和/或减缓点火时序。在一个实施例中，根据本发明的实施例的火花塞并未将比不具有 半表面间隙并且不包括电容器的常规火花塞更大的电气负载添加到点火系统中。在一个实 施例中，根据本发明的实施例的火花塞不改变火花事件的停顿和总体时间。因此，根据本发 明的实施例的火花塞比起常规的塞能够提供增强的燃料效率和发动机性能，并且可在不改 变发动机校准的情况下被安装。
[0046] 在一个实施例中，通过半表面塞和高电压脉冲放电的组合获得特别令人满意的结 果。这是因为由洛伦兹力引起的对电火花的影响。通过以下等式来描述施加在形成电弧的 电子上的洛伦兹力的大小：F = q[E+(v*B)]，其中F是洛伦兹力，q是粒子的电荷，E是电场 的强度，v是粒子的速度，而B是磁场的大小。如可通过该等式清楚地看出的，由脉冲触发 的放电建立的高电场（E)和磁场（B)进行工作，以极大地增大施加在形成火花间隙处的电 弧的电子上的洛伦兹力。因为建立的磁场是取决于电流的大小，通过被并入火花塞的火花 塞的放电期间输送的高电流的影响来进一步增强施加在根据本发明的实施例的火花塞的 火花上的洛伦兹力。在一个实施例中，通过洛伦兹力、一个或多个其它力或其组合将火花轴 向地从火花塞的端部投射出去。
[0047] 图10是示出被施加在形成来自塞10的弧150的电子上的强洛伦兹力的效果的 图。如可清楚看到的，强洛伦兹力引起弧150从火花塞的尖端轴向地投射出去并且进一步 进入发动机的汽缸中的空气/燃料混合物。从火花塞的尖端向外并且因此更靠近空气/燃 料混合物的空间中心的这一火花投射引起接着发生的空气/燃料点火反应波快得多地行 进穿过空气/燃料混合物的整个体积。此外，这创建了大得多的火焰中心，因此实现快得多 的（0%到50%)的燃烧混合物的质量分数燃烧。这不仅实现利用每个点火周期提供更彻 底的燃料燃烧，还实现更快地发展的更高活塞压力，由此实现更大的发动机扭矩和发动机 马力的增大。相比之下，其中侧线（side-wire)是J形的常规火花间隙要求侧线进一步突 出到燃烧室中。因为火花塞通常被安装在发动机中并且在发动机冷却剂所经过的同一位置 处，突出到燃料混合物中的火花塞因此用作散热器。这导致火花塞快速将热从空气/燃料 混合物吸走并且由此阻止反应。J形侧线还掩蔽并进一步阻止成长的火焰核。因此，这种传 统成形的火花间隙妨碍贫燃并且减小发动机功率和燃料经济性。
[0048] 本发明的实施例不要求电容器与火花塞分离以便形成电容器-放电火花。在一个 实施例中，由至少基本上同心地围绕正电极布置的固体绝缘体部分和至少基本上同心地围 绕所述固定绝缘体部分布置的空气间隙形成火花间隙。在一个实施例中，中央电极并不轴 向地延伸穿过塞。相反，在该实施例中，中央电极仅部分延伸到火花塞的电极端中。
[0049] 尽管已特别参考这些优选实施例详细描述了本发明，其它实施例也能实现同样的 结果。本发明的变型和修改对于本领域技术人员来说将是清楚的，并且其旨在覆盖在所附 权利要求中的所有如此的修改及等同形式。
【权利要求】
1. 一种火花塞，包括： 中央电极； 在所述中央电极的末端端部处至少基本上同心地围绕所述中央电极的固体绝缘体； 在所述固体绝缘体的末端端部处至少基本上同心地围绕所述固体绝缘体的空气间 隙； 至少基本上同心地围绕所述空气间隙的外部电极； 其中，火花间隙在所述中央电极和所述外部电极之间形成并且包括所述空气间隙和所 述绝缘体的表面；以及 形成在所述火花塞内的电容器。
2. 根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述外部电极包括一个或多个突起。
3. 根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述电容器的外部板电连接到所述外部电极， 并且其中所述固体绝缘体形成所述电容器的电介质。
4. 根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述电容器包括两个板，并且其中所述板中的 至少一个由导电墨形成。
5. 根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述中央电极电连接到所述电容器的板。
6. 根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述外部电极的任何部分都未延伸为与一路 径交叉，其中所述路径与所述中央电极的主轴轴向地对齐。
7. 根据权利要求1所述的火花塞，还包括可连通地耦合到所述电容器的板的电阻器。
8. 根据权利要求7所述的火花塞，其中，所述电阻器被电连接，使得其对抗在所述电容 器的充电期间的电流流动，而不对抗所述电流从所述电容器流到所述火花间隙。
9. 一种火花塞，包括： 形成在所述火花塞内的电容器； 形成在所述火花塞的末端端部上的火花间隙，所述火花间隙包括固体绝缘体的表面和 空气间隙；以及 所述火花塞的外部导体的末端端部不是向着所述火花塞的内部导体沿径向向内突出。
10. 根据权利要求9所述的火花塞，其中，所述负电极的所述末端端部包括被布置在所 述外部导体的末端端部上的多个突起。
11. 根据权利要求10所述的火花塞，其中，所述多个突起包括至少3个突起。
12. 根据权利要求9所述的火花塞，其中，所述多个突起包括至少5个突起。
13. 根据权利要求9所述的火花塞，其中，所述电容器的电介质由所述火花塞的绝缘体 形成。
14. 根据权利要求13所述的火花塞，其中，所述电介质、所述绝缘体和所述固体绝缘体 都被连接并且都由单块材料形成。
15. -种用于点燃燃料的方法，包括： 在火花塞内形成电容器； 形成半表面火花间隙，以使得在所述火花塞的工作期间形成的火花沿径向在内部导体 和外部导体之间延伸、并且横跨固体绝缘体的表面行进、并且横跨空气间隙行进；以及 由于作用在形成火花的电子流上的力的影响，将在所述火花塞的工作期间形成的火花 沿轴向从火花塞的端部投射出去。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中，投射火花的步骤包括将火花从所述火花塞的 端部沿轴向以一大小为所述内部导体和所述外部导体之间的最近距离的至少1/2的距离 投射出。
17. 根据权利要求15所述的方法，其中，投射火花的步骤包括将火花从所述火花塞的 端部沿轴向以一大小至少等于内部导体和外部导体之间的最近距离的距离投射出。
18. 根据权利要求15所述的方法，还包括由所述火花塞的绝缘体形成所述电容器的电 介质。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中，由同一块材料形成所述火花塞的所述绝缘体、 所述火花塞的所述电介质和所述火花行进所横跨的所述固体绝缘体。
20. 根据权利要求15所述的方法，其中，作用在所述电子上的所述力是洛伦兹力。
【文档编号】H01T13/20GK104221234SQ201380016067
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年1月28日 优先权日:2012年1月27日
【发明者】路易斯·S·凯米莉 申请人:能量脉冲科技有限公司