多层伞裙绝缘体抗闪络火花塞的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型是一种火花塞，特别涉及一种多层伞裙绝缘体抗闪络火花塞，作为天 然气或双燃料发动机的点火部件。
【背景技术】
[0002] 随着石油资源供需矛盾的不断加剧，以及机动车排放造成的环境污染问题的日 益严重，用低排放的清洁能源作为车用发动机替代燃料已成为当前内燃机研究发展的必 然趋势。天然气由于资源丰富、低污染性、价格低廉等突出优势，被认为是当前最有发展潜 力的发动机清洁替代燃料。目前天然气发动机已在我国各大城市的出租车和公共汽车上得 到广泛的推广使用。目前全球以天然气作为燃料的在用汽车已经超过2300万辆。在中国 天然气汽车已经突破450万辆，预计到2020年将会超过1000万辆。天然气作为清洁能源 带来的环保效果是毋庸置疑的，但作为天然气发动机点火的关键零部件火花塞还是沿用传 统汽油为燃料的火花塞特性。时至今日，并没有任何一款火花塞能真正胜任用于天然气汽 车发动机或者双燃料油气两用模式汽车发动机，能使寿命指标达到能和汽油发动机形似 的水准。用于天然气发动机的火花塞普遍存在故障频繁、发动机抖动、使用寿命短、相关配 件高压线和高压线圈容易击穿烧毁等缺陷。
[0003] 研究天然气发动机的点火特性如下：
[0004] 1、天然气的燃点高，在630度以上，而汽油的燃点只有423度，必须要更大的点 火能量才能保证点火成功，根据放电能量公式：
[0005]
[0006] 火花能量=电压与电流的乘积再乘以对放电时间的积分，在点火线圈初级能量 和峰值电压恒定的条件下，火花塞点火间隙的大小决定了点火电压的高低，间隙越大电压 越高，点火能量也就越大。间隙大带来击穿电压高，但电压越高点火系统部件击穿的风险 高，内部泄露越大，导致点火能量损失，系统器件寿命短。因此目前的技术只能先满足双燃 料的点火要求，点火间隙基本控制在0.5毫米左右，否则带来的后果是点火成功率低，占 空比低，燃油启动困难，发动机发抖等严重弊病。
[0007] 2、天然气燃烧火焰的传播速度比汽油低，为12米/秒，汽油为18米/秒；这要求 ECU必须精确调控发动机的点火时刻，提前角等关键数据，以适应天然气为燃料的特殊要 求；但是目前采用的基本是开环控制方式；
[0008] 3、天然气发动机的点火电压高于汽油发动机；一般要大于20KV才能保证可靠点 火；而汽油燃料只要8KV-15KV就能可靠点火；
[0009] 4、大部分车辆的天然气发动机点火系统和结构并不是专门以天然气为燃料而设 计的，而是针对汽油为燃料。用天然气为燃料的车型基本是后来改装的；改装后的发动机管 理系统（ECU)和实际天然气发动机所需的要求严重不符；
[0010] 5、汽车发动机技术包括火花塞等关键零部件的发展是以汽油作为燃料为依据而 逐步发展的，除工业大型燃气发动机外，目前并没有一款专门为天然气发动机的乘用车设 计的火花塞，而是选择改装基础上的替用品，即使大品牌公司限于发动机和火花塞的技术 标准也是如此。
[0011] 6、火花塞的技术标准也是以汽油燃料发动机的特点制定的，因而在技术上没有天 然气发动机汽车火花塞标准，只有一般道路用汽车火花塞标准，其所有的技术指标是基于 汽油为燃料来考虑的；
[0012] 7、所有在用的汽车燃气发动机大部分是在汽油发动机或者柴油发动机的基础上 加装燃气转换装置后使用的，非原厂出厂就是考虑以天然气作为燃料；其压缩比等指标并 不符合天然气发动机的要求，而且这些关键指标在改装时是无法改变的。
[0013] 8、所有的改装的燃气发动机，实际在使用时基本还是要兼顾油气两用，特别在寒 冷地区，按发动机的使用要求，冬天时候必须要用汽油先启动，运行一定时间待发动机到了 一定温度时才可以转换为天然气为燃料；
[0014] 9、汽油发动机作燃气改装没有一个统一的技术标准，影响燃气点火性能的关键指 标没有一家公司能真正掌握核心技术的空燃比和点火提前角的最佳点，原车ECU并不能识 别在燃气条件下的实时调控，使动力和燃料经济性与排放达标处于最佳状态；改装后的发 动机控制系统基本是开环工作，点火提前角是按默认方式运行，而不是实时的调控，所以 并不能达到真正意义上的燃料经济动力性能和发挥节能与环保的效能。
[0015] 10、所有在汽油为燃料能正常使用寿命的火花塞，用于燃气时，工作寿命大为缩 短，其失效模式并非是因为正常电极消融导致的，而是高压接线端的绝缘体伞棱部分表面 高压爬电闪络击穿导致的，一旦击穿就形成电流通道，使火花塞内部失火。电极的销蚀大部 分还在实际可使用寿命的30% - 50%。
[0016] 11、按目前的情况看，市场上所使用的油气两用火花塞基本把点火间隙控制在 0. 5毫米左右，事实上是在现有结构尺寸下点火电压的超临界状态下使用，经国外权威的燃 气发动机公司的实用证明，发动机在以天然气为燃料所需要的正常工作电压和火花塞点火 间隙为：
[0017] 间隙是：0. 38毫米需要15KV电压才能正常点火；
[0018] 0. 5毫米间隙则需要2万伏特的点火电压才能正常使用；
[0019] 而0. 8毫米的间隙必须要大于25KV电压才能可靠工作。
[0020] 按国际IS011565火花塞标准的要求，目前所有的火花塞垫圈端面到螺杆顶端的 尺寸为51. 5;而接线螺杆紧贴陶瓷的面到壳体的垂直距离只能在25毫米左右，按该尺寸的 绝缘体上釉部分的爬电距离，在空气中的工频击穿电压不到14KV，即使用最好的表面技术 处理也会在17KV击穿,这表明：按天然气火花塞的点火电压要求，现在市场在用的火花塞 基本是在临界击穿电压下工作的，绝缘体的外部耐压是依靠火花塞绝缘体高压引入端外部 高压线端子的橡胶套来保证，一旦这部分老化或者因高温膨胀，震动松脱，和污损等因素 就极其容易产生外表面爬电闪络，导致发动机点火异常和火花塞表面陶瓷釉层和橡胶套内 避沿面击穿失效；随着火花塞使用时间电极的逐步被销蚀，火花塞间隙自然会增大，必然导 致点火电压升高，更容易造成火花塞这部分击穿。事实证明这就是燃气发动机火花塞不耐 用的最根本原因。大量使用天然气的火花塞故障基本是这个因素引起的。
[0021] 目前所有的火花塞在汽车上使用一段时间后，在壳体和绝缘体端的陶瓷表面因 为电晕放电原因，导致这部分污损严重，表面积聚了灰尘和其他有机气体等污染物，尽管 各火花塞公司对用户的解释是对火花塞的正常使用不会影响，但是从高压电器原理可以 证明，电晕放电产生的表面污损，是静电原因使浮尘等污秽物在绝缘表面附着，形成导电 通路降低了表面原有的绝缘强度；缩短了原有的爬电距离。观察使用后的火花塞，可以 明显看出电晕放电导致爬电距离缩短是导致高压污闪，表面闪络的主要因素之一，这在以 天然气为燃料的发动机上表现更为严重。原因是天然气点火需要更高的击穿电压。
[0022] 火花塞裙部内表面的沿面放电也是导致火花塞失效的原因。考虑到燃气的温度比 较高，大部分燃气火花塞用散热良好的低热值火花塞，但是在用油启动过程中，低热值火 花塞势必会造成火花塞裙部积碳，很容易在转换为燃气时的内表面爬电导致失火；同时电 极销蚀后间隙扩大，裙部也会发生向下的沿面爬电现象，导致点火异常。
[0023] 综上所述：天然气燃料的发动机必须要有高的点火能量才能可靠工作，高点火能 量必须要高的点火电压，在点火线圈输出峰值电压恒定的条件下，剔除温度等因素，点火间 隙决定了点火电压。而现有的火花塞绝缘体上部的结构性限制，有限的爬电距离制约了点 火电压的提高，电极销蚀导致的间隙扩大导致点火电压升高，外部的污损，橡胶套的热膨 胀，使用过程的振动导致的高压绝缘失效产生的外部闪络爬电是天然气发动机火花塞短期 失效的最根本原因。
[0024] 针对以上分析，对以天然气为燃料的火花塞的特殊性必须要解决以下问题
[0025] 1.首先必须提供合理间隙的火花塞，以保证在双燃料模式下的可靠工作，在较高 的点火电压下保持火花塞的点火能量满足正常启动的需要；
[0026] 2.火花塞的安装尺寸必须满足汽车发动机点火线圈和高压点火线的安装尺寸制 约。由于汽车发动机的发展历史是基于汽油作为燃料的，所有改装的燃气汽车发动机是为 汽油燃料设计的，受高压点火线圈和高压导线的连接尺寸制约，和陶瓷绝缘体制作工艺的 限制，不可能极大的延长火花塞绝缘体长度来加大爬电距离，来满足燃气点火的需要。
[0027] 3.为使火花塞能正常在燃气发动机上使用，首先要满足在工频18. 5KV电压，脉冲 电压26KV条件下，高压输入端的绝缘体部分在空气中不发生闪络爬电，才能保证在天然气 和汽油双燃料条件下的可靠点火。可达到正常的使用寿命。
[0028] 考察工业燃气发动机的火花塞得知，其绝缘体部分长度往往在50毫米左右，其作 用就是为了增大高压引入端的爬电距离，保证火花塞在高压下能可靠工作，且点火间隙非 常小，基本