专利名称：具同轴式电容器放电效应的环保型火花塞－电缆的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于火花点火式内燃机的点火系统，更专门化地说，它涉及电容器放电点火系统以及同轴电缆结构，目的在于藉可能的贫油混合气环境中的火花品质以改进初始燃烧效率。因此，本发明有望能获取联邦环保署的重视。
经研究查明提出了某些与本发明关系较密切的原先已有的专利技术。例如布朗的美国专利U.S.Pat.#703,759(入档12/1901，取自英国)设法把一电容并联于火花塞以强化火花，自此第一份申请以后，作出过多次努力企面在火花塞邻近布置下电容以强化火花。相应地，其它有关努力按时序开列如下鄂托的美国专利U.S.Pat.#1447,812(入档5/1921，)表明一简单的同轴电容附设在火花塞上。
霍尔绍斯的美国专利U.S.Pat.#1,624,951(入档7/1922，)表明一高强度电路振荡装置以加强火花性能，其中在高强度电路上未采用电容器。
亨利的美国专利U.S.Pat.#1,756,486(入档11/1928)表明内燃机用的一种简单高强度易按装的电容器，特点是与并联电容相串接一个线圈式电阻。
布朗的美国专利U.S.Pat.#1,902,541(入档4/1931)，是为了电气装置通过短暂快速放电的火花来消灭早燃，办法是用一电容器与火花隙相关联；然而在电路中使用了大大降低功率储备的电阻。
李斯霍姆的美国专利U.S.Pat.#2,129,472(入档11/1935)表示出高频泰斯拉线圈点火系统的振波及唯一串接的电容器。
接姆赛的美国专利U.S.Pat.#2,173,766(入档1/1938)表示为降低点火系统的无线电干扰而设的电容及电阻网络。
卡萨俭的美国专利U.S.Pat.#2,376,362(入档4/1942)表示出在火花间隙采用并联及串联电容器的一种点火系统。讨论了火花的“头及尾”，说明弧尾的火花由于腐蚀是不希望的，表明电容器网络是如何降低并加强火花头的。指出屏蔽线能像并联电容一样工作，而且如果不用屏蔽线，则必须加入并联电容。
伯凯的美国专利U.S.Pat.#2,378,893(入档3/1942)表示为高海拔地区降低火花塞上跳火现象的解决办法；使用了线圈电容及气隙网络，但没有电容器和火花隙并联。
哈克乃斯的美国专利U.S.Pat.#2,398,635(入档1/1943)表示成为很复杂部件的一个特殊屏蔽的火花塞及高频放电系统，然而在火花塞处未装电容器。
卡萨俭的美国专利U.S.Pat.#2,415,138(入档4/1942)表示航空喷气发动机上用的包含有电容放电系统的一个火花塞；讨论了采用屏蔽电缆使起着与火花塞电极并联电容的作用的问题。
此外，下列美国专利在我的随后更为具体的发明、发现中要涉及。
2,459,855； 2,467,725； 2,550,875； 2,551,101；2,621,312； 2,640,174； 2,736,760； 2,899,478； 2,904,723； 2,927,248； 3,045,148；3.086,144； 3,191,133； 3,213,840； 3,324,347； 3,324,350； 3,336,506； 3,361,932；3,683,232； 3,704,701； 3,842,819； 3,874,354； 3,964,461； 4,036.201； 4,054,936；4,028,908； 4,095,577； 4,122,816； 4,123,688； 4,191,155； 4,217,873； 4,223,656；4,261,025； 4,324,219； 4,333,125； 4,333,126； 4,341,195； 4,369,758； 4,402,036；4,487,177； 4,510,915； 4,515,139； 4,549,114； 4,558,392； 4,565,179； 4,589,398；4,590,536； 4,613,789； 4,631,451； 4,636,690； 4,658,185； 4,712,521； 4,727,891；4,739,185； 4,746,834； 4,751,430； 4,774,914； 4,782,242； 4,891,181； 4,912,595；4,998,526； 5,108,696； RE/32,505.
还有一批有关的德国专利如下2,363,804； 2,400,623；2,446,365； 2,606,248； 2,739,413； 2,810,159； 2,917,617； 3,220,477； 3,333,891；3,334,688.
按照所述情况看来，大部分先前已成专利的原有技术下的系统均在以下几个方面存在问题a)电容器没有满意的寿命；b)火花持续时间太短；c)电磁干扰和射频干扰辐射超过许可值；d)非谐波放电；e)设计复杂并昂贵。前面论及的技术、工艺还没有出现过一种产品或方法是以产生强烈的火花而避免上述问题。因此，充分审视了以前专利的评论以后，决定有必要把这些专利大部分所针对的那些装置做成改进型。本发明人相信其新改进的电容放电火花塞-电缆装置在市场上被称为“热-线”者，当前正由诺罗杰工程制造营销公司(Nology-Engineering Mfg./Mkt.Co.Inc)主持生产(用于任何从不起眼的刈草车机直到摩托车、汽车、船及飞机内燃机、动力站)，展示出某种极有利的特点并将在本发明的下一部分予以表述。
A)鉴于前面已讨论了有关以前发明有过的技术，因此重要的是让对关心此技术的人明白本发明的目标是提出一种独特的电容放电火花塞-电缆，其导线及点火电路显示为一个并联电容与火花塞的组合，不过电容器内部，火花塞是部分地与电容器串联又部分地与电容器及火花塞间隙相并联。作为电感来构造的火花塞-电缆的芯线转变为导体。电缆的电容器部分的能量释放更快以增加火花的功率，此时的电感部分调节着放电之时间及由电容部分快速放电引起的电流噪声。
因此，一种特别的“并联电容”现象发生了，芯线(最好是金属，但也可以用碳纤维型的)实质上变成电感型的导体，最好用金属做成的同轴套筒(可以用碳纤维基的材料)也是一导体；此二导体用电介质绝缘层(最好是硅基材料以防止吸收潮气)分隔开。
B)本发明的另一目标是把内部植有电容及电感的特殊火花塞-电缆改进，其中设有新发现的电容与电感的正确组合，从而使上列以往技术所存在的问题实际上全部得到克服。例如，由特殊并联电容效应导致的电能释放被限定为谐波放电，其示波器记录成象之特征为以谐波阻尼振荡形式，随着位势能量衰减放电至火花之工作状态，信号具有平衡状渐缩波形。
c)本发明的另一目标是推出能经济生产的高性能火花塞-电缆，其被动式(意即，毋需额外电子电路的邦助)强化输出之火花是能与实际上所有OEM点炎系统，不论是早期常规设计的还是现代微机或微控制器设计类型的，都能兼容，原因是同轴电容内部诱发之内置电感所产生之新颖谐波放电效应。
也就是说，本发明提出用于火花点火型点燃式内燃机、带有同轴地形成电容及电感的一种火花塞-电缆装置，它该装置用来被动地改进火花品质以致其燃烧效率；藉此提高功率及降低排放污染；它包括内燃机每缸至少一根常规的高强度火花塞-电缆，此火花塞电缆的芯线包含一原级绝缘体，上述火花塞-电缆在其输入端与分配器装置在电气上相接通，而在其输出端与火花塞的端头在电气上相接通；上述火花塞-电缆包含有一专门的金属同轴套筒装置，从上述输出端至上述输入端展长约7-20英寸，上述同轴-套筒元件包含有一猪尾状引出线用于向火花塞体接地之用；形成的一个新颖并联电容，其中所述金属同轴套筒为一导体，所述芯线为一电感器导体，所述原级绝缘体为一介质隔离层；如此一来从给定的原始电流强度下产生较粗肥的火花以便与燃烧室中更多的在瞬间可用的燃料分子交会，藉此造成更快、更澈底及更强烈的点燃作用。
其中，从上述并联电容部分所释放之电能被当作提供谐波放电采定义，藉此摄下的示波器波线图特征为随着放电能量之进入火花中，信号以谐波阻尼振荡形式呈平衡态衰减促使燃烧更快。
其中，上述火花的特征为缩短了的放电时间，从原先技术下的专利所具有的约4-10纳秒增至约1400纳秒；藉此使在燃烧的初期阶段有更多的燃料分子得以点燃，结果使燃烧加快。
其中，火花的特征表现为缩短了的放电时间，从常规的OEM及市场购来之点火系统下约1-3毫秒减少至仅约1400纳秒；藉此使火花之振荡功率增加，建立起至少双倍的火花横截面尺寸，火花的周界因之能与多得多的燃料分子交会以便在燃料的初始阶段点燃，造成燃烧加快。
其中，上述火花的品质事实上与所有现存的类型点火系统装置、包括对电磁干扰及射频干扰敏感的微机和微机控制器型系统都是兼容的，这要归功于上述谐波放电作用的自我防干扰或屏蔽效应。
其中，上述原级绝缘材料是一种电介质诸如硅那种抗热，防水的材料。
其中，上述火花塞-电缆是柔性的，其中上述芯线以足够绝缘厚度的原级绝缘层复盖以防止在上述同轴套筒件中窜动。
其中，上述分配器装置可以是任何常规的定时高强度输出电源。
其中，上述金属同轴鞘筒为一种市场上能够得的紧密编织材料。
其中，上述金属同轴鞘筒为一种箔状材料。
其中，上述金属同轴鞘筒为一种管状金属材料。
其中，上述金属同轴鞘筒由柔性次级电介质-鞘套材料所保护。
其中，上述次级电介质-鞘套的输入端用紧配合的防水夹头型介电材料来封住端部。
其中，次级电介质鞘套的输出端以其较厚的复盖层终止于常规的市场有售的火花塞的母接头件；同时上述次级电介质鞘套被充分穿透以便于上述猪尾形连接线件由此向外通过。
其中，猪尾形连接线装有一端头以便方便地固装于附近以发动机为基底的导电元件上(例如进排气管螺栓之类)，使它和火花塞体最大限度地电气上相接。
其中，上述火花的品质事实上与所有现存的类型点火系统装置、包括最新对电磁干扰及射频干扰敏感的微机和微机控制器系统是事实上兼容的，这主要归功于在同轴电容内部衍生的内置电感的特点所造成的谐波放电效应。
从熟悉了实施例派生方案的随后说明及其附图中，本发明前述之目标及还有其它目标以及本实例中固有的优点及新颖性特点就会变得很明显。其中参考标号与文中所述相关事物相一致，也与后附权利要求中的相一致，据此，要参见附图才可以更好了解本发明及其变型用途，这些图作为基本实例，却并不能因此而看作本质上有限制性的；其中
图1为侧视图表示整个发明装置的总体全貌，包含为更清晰起见而作之三个剖面区；
图2A,2B,2C是火花塞尖端约四倍放大的三张侧视图；图3A,3B是相关的参数简图，分别表示原先技术下及新技术下二种典型基本电路的比较；图4表示虚线所代表之常规电容放电点火系统对比实线所代表的电容放电火花塞-电缆。
图5A,5B是二张有关联的参考图，用直接重叠比较的方法表明新技术下如何能获得点火定时的有效提前面毋需真的改变发动机的定时机构；图6A,6B是二张有关联的参考图，表示发动机二种测动器读数的比较，一为常规点火系统的，另一为装备有新技术下获得的。其中，D为缸径，S为冲程，L为连杆长，CR为压缩比，RPM为转速，IMEP为平均指示压力。SUM为总计，Date为日期，Time为时间。
图中的参考标号10,10’,10”-火花塞-电缆总体，输入端部，输出端部11-火花塞-电缆原级绝缘12-芯线13-L型塞头14-金属织网式套筒15,15’-猪尾形辫线，导线-端部16-次级电介质鞘套17-输出端穿透区18-防水夹头
19-编织套筒输入端20-气缸头21-接地螺栓22-分配器转子23-分配器帽盖24-帽盖端接嘴25-接电端26-外购火花塞27-火花塞接嘴28-火花塞气隙29-火花塞电极30-火花塞尖端31-加速燃烧提升区32,32’-用电容放电火花塞-电缆下的燃烧，谐波尖峰(不改变定时)33-正常系统燃烧34-压缩线(不点火)35-效率得益量36,36’-上止点火花定时(正常，延迟)
所推荐实施例的详细说明如下。
通过图1可以得出初步概况。为简单起见其中只展示反映本发明的单根专用电容放电的火花塞-电缆装置10。当然，三缸点燃式内燃机要用三根这种火花塞电缆，十二缸的点燃式内燃机则使用十二根，以此类推然而某些高性能内燃机(诸如飞机上用的)可能每缸要用二根此种火花塞-电缆(在每缸采用二个火花塞的情况下)。输入端部10’与内燃机现存型式的分配器例如分配器盒23之类(或一个直接作用的高强度线圈)，电气上是相通的，而输出端部10”与常规的、有商业供货的火花塞26电气上相通。值得注意的是此种装置的最新设计是由优选采用金属绞合而成的芯线12(相对于渗碳隋性纤维而言)及其电绝缘覆盖层11(最好由防热、防水的硅胶做成)所构成。
芯线12与标准的金属L型塞头13电气上相通，塞头是插接到火花塞的端极30’上去的，它们均属常规类型。与此相仿，火花塞-电缆的输入端10’馈自一作为例证的固定的金属接电端25，并经分配器-转子22由任何已知的高能量电源供电。就是此种电动势的能源主要是受我在基本装置设计所展示的容电器被动放电(CD)作用所造成的明显影响。在今天，为了从现有产品的经济性或高强化赛车发动机上获得大大改进了的性能意味着事实上要有所突破，或者目标为增加功率，或者为了大大降低对环境的排放污染，在受关注的性能方面成为一个具有真正重要性的目标。
我们刚刚辨识了我特别的火花塞-电缆中那些最常规的部分，现在让我们来了解一下我是怎样成功地把常规的部件改进成纯粹非常规部件，从而越来越成为热俏的最终产品。在标准电缆11的上面加一层最好是用金属紧密编织而成的织网式套筒14，该网套长度为7至20英寸可位于电缆的任意处，自输入端19算起至输出端穿透区17为止，该输出端17穿透次级绝缘介质鞘套16并形成猪尾形辫线15。此猪尾线可包含有一环形末端15’以便于和现有的内燃机缸体或气体头20上的接地螺栓21相连接。为了性能上的持久可靠，我还宁愿在同轴网套外面包裹上一层绝缘的保护鞘套16，它被塞入火花塞的外接嘴27内，同样，另一头也被塞入到导向输入端的聚氯丁橡胶夹头18内，该处我用粘性密封胶防止潮气进入。
当定时点火的电流在通过火花塞-电缆间有振荡时，立即就建立起一种单值的关系。芯线瞬即变为一电感式导体，被壁厚为恒值的原级绝缘介质所精确分隔，从而同轴套筒14变为一平行导体并藉此在它们间建立一个感应电场-本身相当于一巨大的电容。请看图2A、2B、2C中火花塞尖端的高倍放大详图，图2A通常技术状态下的OEM高能点火花(采用优质普通系统火花塞电缆)，为便于比较图2B中的点火火花实例代表到目前为止普通认为最好的。高性能容电器放电点火系统市场有售的(MSD牌)。最后，在图2C我们看到，仅因为用我的新型电容放电火花塞-电缆来替代后，原先图2B中的实例是如何被动地转变为堪称惊人的“超级星云”式点火火花的！此项“实实在在的结果”作为例证是严谨地建立在不变的因素之上的，诸如普通(未改变的)线圈、火花塞、电压及未燃烧时的缸内压力(150磅/平方英寸)。我的新型电容放电、火花塞-电缆的性能特征一缩短了的放电时间，从常规OEM点火系统的大约1-3毫秒降低至大约仅1400纳秒。因之，我的图2C表明把截面尺寸X”至少加大至二倍(甚至四倍)，由于火花振荡功率的特点，所提供的火花周界足以与更多的燃料质点(假如为可能的分子)交会以便在着火的初期阶段点燃起来，结果使燃烧加快。
如此粗“胖”(在X”的尺寸箭头之间)的火花-其强度是简单方程中的函数P=W/t(功率=功÷时间)，在此以前它往往会导致足以损坏发动机的难以控制的交焰叉火叉传布征兆。然而，得益于很新颖的谐波放电作用及依靠测功仪分析，仔细的调整“并联电容”感应电场中的“X参数”长度尺寸(7-20英寸)，实际上实现了显著地增加发动机的平稳度。一旦对某一专门作出的定型汽车发动机的测功试验已趋完善，我们就能很经济地通过大量生产进行复制专门调制成的电容放电火花塞-电缆，其中为某一专用作出的定型汽车发动机而提出的临界“X-尺寸”是在货架之外早就预调好的。在零售市场，顾客只要简便地装上一组(通常由4,6,8,10或12根电缆组成)我的新式电容放电火花塞-电缆就行，而毋需虑及他们所购用的尺寸X的特殊长度为多少，此费神的测试工作早就植入在产品之中了。
这里还有一些微妙而又关键性的区别变得更明显和看来更重要了。例如，图3A表明典型的已有技术下的点火电路与图3A所示新技术下被动式点火电路之比较；其中B(电池)供应基本电流；S(开关-触点)接通电路；C(电容)从线圈建立电位势以点燃SP(火花塞)，其中图3A中的CP(并联电容)布置方式明显地与图3B中的新颖C1(电容)及L1(电感)布置方式相区别。
从图4可看到一种常规点火火花的示波器记录波与我的装置的专用电容放电火花塞-电缆的放电能量记录波的对比(对发动机未作其它改动)。特别要注意谐波放电尖峰32’相对于其逆向阻尼能量尖峰32大体上呈平衡状向下衰减的特性(呈镜面映象)，为对照将典型的常规火花点火系统所产生的常规非谐波输出尖峰33也叠印于其上。此种谐波放电的优点导致有利的燃速率加快。
参照图5A,5B，清楚说明内燃机气缸内以磅/平方英寸来表示的燃烧室压力，在常规点火系统下的时间函数33相对地与我的专用电容放电火花塞-电缆下的时间函数32进行直接重叠后的比较；线34则代表压缩压力(无点火发生时)之相对升高情况。对图5A的研究表明仅仅将常规的新火花塞电缆拆去而代之以我的专门的电容放电火花塞-电缆32后，对未经再调整的发动机定时会有何等影响。既可看到燃烧压力的显著增加，又可发现点火提前状态演变的现象并用阴影区31以示区分。指示值36标记着原有技术与我的新技术火花塞-电缆组间相切之点(此处约为300磅/平方英寸)。在图5B中可看到类似的线圈，其中除内燃机的点火时已重新调整变动外，一切因素保持不变，此时图5A中之交会标记36已拾升至约475磅/平方英寸并挪问活塞上止点儿度至36’处。在这里，阴影区35代表效率上的显著得益不是来自添加额外电子装置，而是归功于毋需任何种类替代材料的简单重新调整工作。
参图6A,6B表示四冲程内燃机的一个完整循环、或两转中平均有效压力间的比较；图6A装备的是新的然而是常规的火花塞电缆，图6B装备的是一组我的新电容放电火花塞-电缆。比较结果老技术平均值-859.4；新技术平均值-902.6，在我的电容放电火花塞-电缆下相当于平均有效压力有5.03％的显著提高。
就这样，已经理解到本发明所优先推荐的及其派生方案下的实施例是如何以迄今为止从未用得上也未实现过的全新方式来实现各种功能。采用本发明的前述部件意味着不需依赖任何正在通用的发明专利；同时，在本发明用某种图解实例的方式在此以前进行了详述的情况下，对与此相关技术上熟练的人来说，可以搞出不同的改变、变型、重新布置及明显的改进型而不远离本发明的内在精神及范围。因此，在这里发表的发明是以举例形式而并非为附加的限制，当所附权利要求超过本发明寻求的范围时，乃根据其中应用之术语所允许的程度内而对其作出尽量广泛的解释，并认为本发明真正地包含着每一种它所容许的用途。相应地，包含有独家产权及专利特权要求内容的本发明实施例下面予以定义。
权利要求
1)用于火花点火型点燃式内燃机、带有同轴地形成电容及电感的一种火花塞-电缆装置，它该装置用来被动地改进火花品质以致其燃烧效率；藉此提高功率及降低排放污染；它包括内燃机每缸至少一根常规的高强度火花塞-电缆，此火花塞电缆的芯线包含一原级绝缘体，上述火花塞-电缆在其输入端与分配器装置在电气上相接通，而在其输出端与火花塞的端头在电气上相接通；上述火花塞-电缆包含有一专门的金属同轴套筒装置，从上述输出端至上述输入端展长约7-20英寸，上述同轴-套筒元件包含有一猪尾状引出线用于向火花塞体接地之用；形成的一个新颖并联电容，其中所述金属同轴套筒为一导体，所述芯线为一电感器导体，所述原级绝缘体为一介质隔离层；如此一来从给定的原始电流强度下产生较粗肥的火花以便与燃烧室中更多的在瞬间可用的燃料分子交会，藉此造成更快、更澈底及更强烈的点燃作用。
2)根据权利要求1的火花塞-电缆装置，其中从上述并联电容部分所释放之电能被当作提供谐波放电来定义，藉此摄下的示波器波线图特征为随着放电能量之进入火花中，信号以谐波阻尼振荡形式呈平衡态衰减促使燃烧更快。
3)根据权利要求1的火花塞-电缆装置，其中上述火花的特征为缩短了的放电时间，从原先技术下的专利所具有的约4-10纳秒增至约1400纳秒；藉此使在燃烧的初期阶段有更多的燃料分子得以点燃，结果使燃烧加快。
4)根据权利要求1的火花塞-电缆装置，其中火花的特征表现为缩短了的放电时间，从常规的OEM及市场购来之点火系统下约1-3毫秒减少至仅约1400纳秒；藉此使火花之振荡功率增加，建立起至少双倍的火花横截面尺寸，火花的周界因之能与多得多的燃料分子交会以便在燃料的初始阶段点燃，造成燃烧加快。
5)根据权利要求1的火花塞-电缆装置，其中上述火花的品质事实上与所有现存的类型点火系统装置、包括对电磁干扰及射频干扰敏感的微机和微机控制器型系统都是兼容的，这要归功于上述谐波放电作用的自我防干扰或屏蔽效应。
6)根据权利要求1的火花塞-电缆装置，其中上述原级绝缘材料是一种电介质诸如硅那种抗热，防水的材料。
7)根据权利要求1的火花塞-电缆装置，其中上述火花塞-电缆是柔性的，其中上述芯线以足够绝缘厚度的原级绝缘层复盖以防止在上述同轴套筒件中窜动。
8)根据权利要求1的火花塞-电缆装置，其中上述分配器装置可以是任何常规的定时高强度输出电源。
9)根据权利要求1的火花塞-电缆装置，其中上述金属同轴鞘筒为一种市场上能够得的紧密编织材料。
10)根据权利要求1的火花塞-电缆装置，其中上述金属同轴鞘筒为一种箔状材料。
11)根据权利要求1的火花塞-电缆装置，其中上述金属同轴鞘筒为一种管状金属材料。
12)根据权利要求1的火花塞-电缆装置，其中上述金属同轴鞘筒由柔性次级电介质-鞘套材料所保护。
13)根据权利要求12的火花塞-电缆装置，其中上述次级电介质-鞘套的输入端用紧配合的防水夹头型介电材料来封住端部。
14)根据权利要求12的火花塞-电缆装置，其中次级电介质鞘套的输出端以其较厚的复盖层终止于常规的市场有售的火花塞的母接头件；同时上述次级电介质鞘套被充分穿透以便于上述猪尾形连接线件由此向外通过。
15)根据权利要求1的火花塞-电缆装置，其中猪尾形连接线装有一端头以便方便地固装于附近以发动机为基底的导电元件上(例如进排气管螺栓之类)，使它和火花塞体最大限度地电气上相接。
16)根据权利要求1的火花塞-电缆装置，其中上述火花的品质事实上与所有现存的类型点火系统装置、包括最新对电磁干扰及射频干扰敏感的微机和微机控制器系统是事实上兼容的，这主要归功于在同轴电容内部衍生的内置电感的特点所造成的谐波放电效应。
全文摘要
一种有益于环保、造价较实惠的高性能火花塞电缆装置。基本的火花塞电缆从输入端部至其输出端部主要是常规通用的,其中是由覆盖着厚绝缘层的芯线制成。结构的新颖处在于含有一最好是紧密编织的金属同轴套筒从火花塞上端约1—3英寸开始并包覆着芯线,长度则为7—20英寸。最好再具有一个外层电介质保护鞘套,它上面被一个从编织材料引来的短猪尾型连线所穿透以便和内燃机的缸体连通接地。
文档编号H01T13/00GK1211096SQ96120320
公开日1999年3月17日 申请日期1996年10月14日 优先权日1996年10月14日
发明者乌尔夫·阿伦斯 申请人:诺劳基工程公司