受控火花點(diǎn)火火焰核心流動(dòng)的制作方法
【專利說(shuō)明】受控火花點(diǎn)火火焰核心流動(dòng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求了2013年3月15日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/833，226的優(yōu)先權(quán)，其作為2011年3月8日提交的共同待決的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/042，599的部分繼續(xù)申請(qǐng)且要求了其權(quán)益，所述美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/042，599要求了 2010年11月23日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/416，588的權(quán)益。2013年3月15日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/833，226也是2012年I月1日提交的共同待決的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/347，448的部分繼續(xù)申請(qǐng)且要求了其權(quán)益，后者是2011年3月8日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/042，599的部分繼續(xù)申請(qǐng)，所述美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/042，599要求了 2010年11月23日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/416，588的權(quán)益。
[0002]此申請(qǐng)要求了2013年10月3日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.14/045,625的優(yōu)先權(quán)，其作為2013年3月15日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/833，226的繼續(xù)申請(qǐng)，所述美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/833，226是2011年3月8日提交的共同待決的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/042，599的部分繼續(xù)申請(qǐng)且要求了其權(quán)益，所述美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/042，599要求了 2010年11月23日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/416,588的權(quán)益。作為2013年3月15日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/833，226的繼續(xù)申請(qǐng)的2013年10月3日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.14/045,625也是2012年I月1日提交的共同待決的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/347，488的部分繼續(xù)申請(qǐng)且要求了其權(quán)益，所述美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/347,488是2011年3月8日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/042,599的部分繼續(xù)申請(qǐng)，所述美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/042，599要求了 2010年11月23日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/416，588的權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本說(shuō)明書(shū)涉及用于內(nèi)燃機(jī)的火花塞。
【背景技術(shù)】
[0004]以例如天然氣的氣體燃料運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)通常被供給以稀薄燃料混合物，所述燃料混合物是空氣和燃料的混合物，所述混合物包含超過(guò)“在化學(xué)上恰當(dāng)?shù)摹被蚧瘜W(xué)計(jì)量比的量的過(guò)多的空氣。稀薄燃料混合物經(jīng)常導(dǎo)致例如缺火、不完全燃燒的不良燃燒和不良的燃料經(jīng)濟(jì)性，且改進(jìn)燃燒的努力經(jīng)常導(dǎo)致爆震或使用高能火花，這導(dǎo)致火花塞的短壽命?？赡軐?dǎo)致此情況的一個(gè)因素是常規(guī)火花塞有效且一致地點(diǎn)燃在運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸內(nèi)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燒可使用預(yù)燃燒室或預(yù)燃室來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0005]預(yù)燃室火花塞典型地用于促進(jìn)在例如天然氣稀薄燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)或汽車稀薄汽油機(jī)的稀薄燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)中的稀薄可燃性極限。在已知的預(yù)燃室火花塞中，例如在美國(guó)專利N0.5，554,908中公開(kāi)的預(yù)燃室火花塞中，火花間隙約束在腔內(nèi)，所述腔具有可代表總發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸排量的相對(duì)小的部分的體積。腔的一部分成形為拱頂且具有多種切向引入/噴射孔。在運(yùn)行期間，當(dāng)壓縮循環(huán)期間發(fā)動(dòng)機(jī)活塞向上移動(dòng)時(shí)，促使空氣/燃料混合物通過(guò)引入孔到預(yù)燃室內(nèi)?？椎亩ㄏ蚩纱_定預(yù)燃室腔內(nèi)側(cè)的空氣/燃料混合物的運(yùn)動(dòng)和在離開(kāi)預(yù)燃室時(shí)的反作用射流的運(yùn)動(dòng)。
[0006]當(dāng)預(yù)燃室腔內(nèi)的空氣/燃料混合物的燃燒率增加時(shí)，結(jié)果是更高穿透的火焰射流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中。這些火焰射流改進(jìn)了發(fā)動(dòng)機(jī)以更稀薄的空氣/燃料混合物實(shí)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)更迅速和可重復(fù)性的火焰?zhèn)鞑サ哪芰?。許多常規(guī)的預(yù)燃室火花塞具有不可重復(fù)的且不可預(yù)測(cè)的性能特征，這可能導(dǎo)致高于希望的變化系數(shù)(COV)和缺火，這是粗糙的測(cè)量值。此外，許多常規(guī)的預(yù)燃室火花塞對(duì)于制造變動(dòng)敏感且遭受差的燃燒氣體掃氣，這進(jìn)一步導(dǎo)致增加的C0V。
[0007]火花塞設(shè)計(jì)中的一個(gè)挑戰(zhàn)是造成如下的火花塞，盡管在內(nèi)燃機(jī)中新鮮進(jìn)氣將在許多方面(例如，當(dāng)量比、湍流、溫度、殘余物)在各循環(huán)中通常不是均勻的或可重復(fù)的事實(shí)，所述火花塞能夠?qū)崿F(xiàn)在燃燒過(guò)程期間的可重復(fù)和可控制的點(diǎn)火延遲時(shí)間。也希望具有如下火花塞，所述火花塞對(duì)于制造或其部件或組件中的變化相對(duì)不敏感。
[0008]火花塞設(shè)計(jì)中的另一個(gè)挑戰(zhàn)是過(guò)早的火花塞磨損。典型地，過(guò)早的火花塞磨損由于化學(xué)計(jì)量比混合物的高的燃燒溫度導(dǎo)致。對(duì)于高BMEP發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中的火花塞，在需要更換前僅持續(xù)800至1000小時(shí)不是不常見(jiàn)的。這可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的意外停機(jī)，因此導(dǎo)致對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行者的增加的運(yùn)行成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]在一些方面中，火花塞可生成高速火焰射流而帶有低COV和長(zhǎng)運(yùn)行壽命，其益處可包括主室內(nèi)的更快的燃燒，從而導(dǎo)致改進(jìn)的NOx與燃料消耗(或效率)的折衷關(guān)系。
[0010]在一些方面中，預(yù)燃室火花塞包括金屬殼體、連接到殼體的端蓋、中心電極和接地電極。另外，預(yù)燃室火花塞包括布置在殼體內(nèi)的絕緣體。在一些實(shí)施中，中心電極具有被絕緣體圍繞的第一部分和從絕緣體延伸到預(yù)燃室內(nèi)的第二部分。預(yù)燃室體積通過(guò)外殼和端蓋限定。在一些實(shí)施例中，接地電極連接到殼體。在一些實(shí)施例中，接地電極包括間隔開(kāi)地圍繞中心電極的內(nèi)環(huán)、連接到殼體的外環(huán)和多個(gè)將內(nèi)環(huán)和外環(huán)連接的輻條。在一些應(yīng)用中，接地電極具有矩形形狀，所述形狀用于保護(hù)通過(guò)中心電極和接地電極之間的間隙的引入的中心孔流動(dòng)(主流動(dòng))不受到由于經(jīng)過(guò)側(cè)向孔(副孔)進(jìn)入的流動(dòng)導(dǎo)致的湍流的影響。管形空間也引導(dǎo)在外周處的接地電極后方的側(cè)向孔流動(dòng)以使其在離開(kāi)間隙時(shí)結(jié)合火花核心。另外，中心電極具有空氣動(dòng)力學(xué)形狀，這改進(jìn)了從中心孔通過(guò)間隙的流動(dòng)流線。
[0011]在另一個(gè)方面中，促進(jìn)內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的燃燒?？諝?燃料混合物在預(yù)燃室火花塞的預(yù)燃室內(nèi)被點(diǎn)燃。在一些實(shí)施中，在預(yù)燃室內(nèi)點(diǎn)燃空氣/燃料混合物包括提供第一口以允許第一量的空氣/燃料混合物流入到中心電極和接地電極之間的間隙中，帶有從預(yù)燃室的前室的主要向后的流動(dòng)方向(更多的流動(dòng)在此方向上，且在一定的情況中所有流動(dòng)在此方向上)，且包括在間隙內(nèi)點(diǎn)燃空氣/燃料混合物，其中該點(diǎn)燃產(chǎn)生了火焰核心。此外，火焰核心被傳送到預(yù)燃室的后室，且第二口允許空氣/燃料混合物的次要(側(cè)向)量的流動(dòng)進(jìn)入前室中，使得次要量的空氣/燃料混合物流到后室以被火焰核心點(diǎn)燃。次流動(dòng)也可以具有渦旋，所述渦旋用于將所形成的火焰在后室中在方位方向上傳播，使得方位均勻性得以改進(jìn)且在預(yù)燃室內(nèi)生成了進(jìn)一步加速燃燒的湍流。第一量和第二量的空氣/燃料混合物的點(diǎn)燃造成了預(yù)燃室內(nèi)的壓力升高，這導(dǎo)致從第一口和第二口發(fā)出火焰射流。口孔尺寸和角度可被控制(例如，在一些情況中被改進(jìn)或優(yōu)化)，以最大化火焰射流速度和到主室內(nèi)的穿透，因此促進(jìn)了主室內(nèi)的燃燒。孔尺寸控制流入和流出。孔尺寸可被控制(例如，在一些情況中被改進(jìn)或優(yōu)化)，以實(shí)現(xiàn)希望的發(fā)動(dòng)機(jī)特定的點(diǎn)燃延遲時(shí)間、射流速度和火焰射流穿透以及因此主室燃燒率。
[0012]在再另一個(gè)方面中，預(yù)燃室火花塞包括殼體和連接到殼體的端蓋。另外，預(yù)燃室火花塞包括布置在殼體內(nèi)的絕緣體。在一些實(shí)施中，中心電極具有被絕緣體圍繞的第一部分和從絕緣體延伸到預(yù)燃室內(nèi)的第二部分。預(yù)燃室通過(guò)殼體和端蓋限定。在一些實(shí)施中，接地電極連接到殼體。在一些實(shí)施中，接地電極包括間隔開(kāi)地圍繞中心電極的內(nèi)環(huán)和多個(gè)從內(nèi)環(huán)徑向向外突出的將內(nèi)環(huán)保持就位的輻條。在一些實(shí)施中，每個(gè)輻條的端部連接到殼體。
[0013]在另一個(gè)方面中，制造了預(yù)燃室火花塞。接地電極連接到殼體。在一些實(shí)施中，接地電極包括管狀電極。在一些實(shí)施中，管狀電極具有與中心電極具有圍繞關(guān)系而定位的內(nèi)環(huán)。
[0014]在一些實(shí)施中，稀有金屬(或貴金屬)連接到中心電極且連接到代表了火花表面的接地電極。在制造和組裝期間用間隙工具建立了中心電極和接地電極之間的間隙，使得間隙在制造和組裝期間被精確地確定，因此降低了對(duì)于制造之后重新調(diào)整間隙的需求。在一些實(shí)施中，在接地電極最終連接到殼體之前將間隙工具插入在中心電極和接地電極之間。在一些實(shí)施中，此間隙被最好地維持，如果這是過(guò)程中的最終加熱步驟。在一些實(shí)施中，在連接接地電極之后通過(guò)電子束(EB)、水束或其他合適的材料移除方法形成火花間隙，以形成精確的高公差間隙。理想的新火花間隙范圍從0.15 mm至0.35 mm。
[0015]在一些實(shí)施中，管狀接地電極與同心的中心電極的布置造成了通過(guò)間隙到接地電極的背側(cè)的流動(dòng)的條件，所述布置可在不要求火花塞的殼體的氣缸蓋設(shè)計(jì)中在預(yù)燃室中完成，其中氣缸蓋預(yù)燃室替代了火花塞殼體壁。另外，燃料可添加到預(yù)燃室火花塞或氣缸蓋裝置中的預(yù)燃室，以進(jìn)一步延長(zhǎng)稀薄運(yùn)行極限。這些稱為“燃料供給”裝置。
[0016]在另一個(gè)方面中，預(yù)燃室火花塞包括殼體、絕緣體、中心電極和接地電極。殼體包括多個(gè)通風(fēng)孔。絕緣體布置在殼體內(nèi)。中心電極被絕緣體圍繞且延伸到被殼體限定的預(yù)燃室內(nèi)。絕緣體同軸地圍繞中心電極。接地電極連接到絕緣體且圍繞中心電極的遠(yuǎn)端端部。接地電極包括間隔開(kāi)地圍繞中心電極的管狀環(huán)，且具有徑向偏移的周向延伸部，所述周向延伸部軸向延伸經(jīng)過(guò)中心電極的遠(yuǎn)端端部從而形成用作空氣動(dòng)力學(xué)撞擊(ram)區(qū)域的幾何形狀。
[0017]在另一個(gè)方面中，促進(jìn)內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的燃燒?？諝?燃料混合物在預(yù)燃室火花塞的預(yù)燃室內(nèi)點(diǎn)燃?？諝?燃料混合物的點(diǎn)燃包括提供多個(gè)通風(fēng)孔以允許空氣/燃料混合物到預(yù)燃室的火花間隙內(nèi)的主流動(dòng)，以及點(diǎn)燃空氣/燃料混合物，其中點(diǎn)燃事件產(chǎn)生了火焰核心。接下來(lái)，火焰核心被傳送到預(yù)燃室的第一級(jí)內(nèi)，其中預(yù)燃室的第一級(jí)通過(guò)布置在連接到與中心電極同軸的絕緣體的接地電極(和中心電極)之間的腔限定，所述腔通過(guò)造成再循環(huán)區(qū)而作為“火焰保持器”工作。在將火焰核心傳送到第一級(jí)中之后，空氣/燃料混合物的次流動(dòng)從多個(gè)通風(fēng)孔提供到預(yù)燃室，使得次流動(dòng)遍布預(yù)燃室的第二級(jí)散布，所述第二級(jí)通過(guò)布置在連接到絕緣體的接地電極外側(cè)的腔限定。最后，火焰核心從第一級(jí)行進(jìn)到第二級(jí)，從而將空氣/燃料混合物的次流動(dòng)點(diǎn)燃，導(dǎo)致火焰遍布預(yù)燃室傳播，將大量燃料在預(yù)燃室內(nèi)點(diǎn)燃，造成大的壓力升高且因此造成從多個(gè)通風(fēng)孔發(fā)出的火焰射流。
[0018]在另一個(gè)方面中，預(yù)燃室火花塞包括殼體、絕緣體、中心電極和接地電極。絕緣體布置在殼體內(nèi)。中心電極具有被絕緣體圍繞的第一部分和從絕緣體延伸到被殼體限定的預(yù)燃室內(nèi)的第二部分。接地電極連接到絕緣體且包括間隔開(kāi)地圍繞中心電極的內(nèi)環(huán)從而形成火花間隙。
[0019]在一些方面中，激光束聚焦在間隙表面之間的位置處，取代電火花，來(lái)將AFR加熱到點(diǎn)燃溫度，且以光子取代電子造成火焰核心。一些實(shí)施包括導(dǎo)致激光束且將其聚焦在間隙區(qū)域內(nèi)的裝置。激光束點(diǎn)火的益處是對(duì)于氣缸壓力條件的敏感度少得多，而在壓力升高時(shí)電火花要求更高的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)擊穿和火花。激光點(diǎn)火可實(shí)現(xiàn)在常規(guī)的電子點(diǎn)火系統(tǒng)的擊穿電壓極限以上的壓力下的點(diǎn)火。
[0020]在方面I中，促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的燃燒的方法包括:從發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室接收空氣/燃料混合物到火花塞的外殼內(nèi)并將接收到的空氣/燃料混合物在外殼內(nèi)的火花間隙內(nèi)點(diǎn)燃;將點(diǎn)燃的空氣/燃料混合物以至少為進(jìn)入外殼內(nèi)的峰值流速的10%的峰值流速引導(dǎo)通過(guò)火花間隙而主要地離開(kāi)外殼的燃燒室端部。將更多的點(diǎn)燃的空氣/燃料混合物從外殼的燃燒室端部引導(dǎo)離開(kāi)，且在一些情形中全部流動(dòng)在此方向上引導(dǎo)開(kāi)。
[0021]根據(jù)方面I的方面2，其中峰值流速為5米/秒或更大，且將殘余氣體從間隙清除。
[0022]根據(jù)方面I至2中任一項(xiàng)的方面3，其中火花間隙的高度H為2.5mm或更大，且間隙內(nèi)的峰值流速為V，且其中