具有改進冷卻的火花塞組件的製作方法

2024-02-01 23:43:15

本發明總體涉及火花塞組件，並且更具體地，涉及具有改進冷卻的火花塞組件。

背景技術：

包括柴油發動機、汽油發動機、氣體燃料發動機的發動機和該領域中已知的其他發動機通過點燃或接收空氣和燃料混合物來產生熱量。被引入發動機的燃燒室的燃料能夠被火花塞、電熱塞、或交流/直流點火源點燃。由該燃燒過程產生的熱和膨脹氣體被引導以使活塞移位或使渦輪葉片運動，活塞或渦輪葉片都可連接至發動機的曲軸。隨著活塞被移位或渦輪葉片被運動，引起曲軸旋轉。然後利用該旋轉來驅動諸如傳動裝置或發電機的裝置，以推動車輛或發電。

在發動機運轉過程中，由於較高的燃燒壓力和溫度，位於燃燒室附近的部件可暴露於高應力和高溫下。一段時間過後，這些高應力和高溫能夠引起這些部件的過度損耗。例如，升高的燃燒溫度可引起與火花塞相關聯的部件經歷熱變形(例如蠕變)。當火花塞部件經歷蠕變時，燃燒氣體可經火花塞的螺紋逸出，引起與火花塞相關聯的密封件和/或墊圈退化。一旦密封件不能正常發揮作用，潤滑油可能經火花塞的螺紋洩漏並流入燃燒室。潤滑油在燃燒室中會產生諸如發動機爆燃等問題，這通常會導致生產損失並增加維修成本。

解決上述提出的問題的一個方法是頻繁地重新擰緊火花塞。然而，這會增加發動機停機時間並需要額外的勞動時間和成本。解決上述提出的問題的另一方法是冷卻火花塞，以防止火花塞的蠕變。在1986年6月26日授予Hiroyuki等人的日本專利公開No.61-138817(「『817公開」)中公開了冷卻火花塞的一種嘗試。『817公開公開了一種發動機，其具有位於氣缸蓋中靠近發動機的燃燒室的中心部 分的火花塞。『817公開還公開了設置在氣缸蓋的壁中的鑽孔，以允許來自發動機缸體中的水套中的冷卻水流入鑽孔，以對火花塞的外螺紋部提供冷卻。冷卻可有助於防止火花塞的熱退化。

雖然『817公開的鑽孔可有助於對火花塞提供一些冷卻，但其仍然不夠理想。具體而言，鑽孔僅允許冷卻水到達螺紋部的一部分，這限制了可從火花塞傳送至冷卻水的熱量。此外，在氣缸蓋上鑽額外的孔以提供用於火花塞的足夠冷卻通道是困難且昂貴的。

本文公開的火花塞組件旨在克服上述提出的一個或多個問題和/或現有技術中的其他問題。

技術實現要素：

一方面，本發明涉及用於發動機的火花塞組件，該發動機具有至少部分地限定燃燒室的氣缸蓋。火花塞組件可包括火花塞，其至少部分地設置在氣缸蓋中並被構造成在燃燒室中產生火花以點燃空氣和燃料混合物。火花塞組件還可包括插件，其被構造成接收火花塞，並且至少部分地形成圍繞火花塞的冷卻通道。

另一方面，本發明涉及用於發動機的火花塞組件，該發動機具有至少部分地限定燃燒室的氣缸蓋。火花塞組件可包括火花塞，其至少部分地設置在氣缸蓋中並且被構造成在燃燒室中產生火花，以點燃空氣和燃料混合物。火花塞可包括具有約1.7的螺紋長度與螺紋直徑的比率的螺紋。

又一方面，本發明涉及用於具有燃燒室的發動機的氣缸蓋組件。該氣缸蓋組件可包括具有階梯孔的氣缸蓋。氣缸蓋組件還可包括至少部分地設置在階梯孔中的火花塞，所述火花塞被構造成在燃燒室中產生火花以點燃空氣和燃料的混合物。火花塞包括多個外螺紋。氣缸蓋組件還可包括大致環形插件，所述插件被構造成與階梯孔接合併接收火花塞。插件可具有多個內螺紋，所述內螺紋被構造成與火花塞的多個外螺紋直接接合。氣缸蓋組件還可包括由插件和階梯孔至少部分地形成的冷卻通道。

附圖說明

圖1是示例性公開的發動機的圖解說明；

圖2是可結合圖1的發動機使用的示例性公開的火花塞組件的截面視圖；

圖3是可結合圖1的發動機使用的另一示例性公開的火花塞組件的截面視圖；以及

圖4是可結合圖1的發動機使用的又一示例性公開的火花塞組件的截面視圖。

具體實施方式

圖1示出示例性內燃機10。為了本發明的目的，將發動機10描繪和描述為四衝程氣體燃料發動機，例如天然氣發動機。然而，該領域技術人員可以理解，發動機10可以為其他任意類型的燃燒發動機，諸如汽油發動機或雙燃料(例如，天然氣和柴油)發動機。發動機10可包括至少部分地限定一個或多個氣缸14(圖1中僅示出一個)的發動機缸體12。活塞16以可滑動方式設置在各氣缸14中，以在上止點(TDC)位置和下止點(BDC)位置之間往復運動，並且氣缸蓋18可以與各氣缸14相聯。氣缸14、活塞16和氣缸蓋18可以一起限定燃燒室20。能夠想到發動機10可包括任意數量的燃燒室20，並且燃燒室20可以設置為「直線型」構造、「V形」構造、「對置活塞」構造、或任意其他適當構造。

發動機10也可包括以可旋轉方式設置在發動機缸體12中的曲軸22。連杆24可以將各活塞16連接至曲軸22，使活塞16在各相應氣缸14中的TDC位置和BDC位置之間的滑動運動產生曲軸22的旋轉。類似地，曲軸22的旋轉可產生活塞16在TDC位置和BDC位置之間的滑動運動。在四衝程發動機中，活塞16可以經吸入衝程、壓縮衝程、燃燒或做功衝程、以及排氣衝程在TDC位置和BDC位置之間往復運動。還可以想到，發動機10可選地為雙衝程發動機，其中，完 整的循環包括壓縮/排氣衝程(BDC至TDC)和做功/排氣/吸入衝程(TDC至BDC)。

氣缸蓋18可以限定吸入通道26和排氣通道28。吸入通道26可將壓縮空氣或空氣/燃料混合物從吸入歧管30經吸入口32引導進入燃燒室20。排氣通道28可類似地將排氣從燃燒室20經排氣口34引導進入排氣歧管36。在一些實施方式中，可以通過排氣排出歧管36來驅動渦輪增壓器(未示出)，以對進入歧管30的空氣進行壓縮。

具有閥元件40的吸入閥38可布置在吸入口32中並被構造成可選擇地接合閥座42。吸入閥38能夠在第一位置與第二位置之間運動，在第一位置，閥元件40與閥座42接合以防止流體相對於吸入口32流動，在第二位置，閥元件40從閥座42移開以允許流體流動。

具有閥元件46的排氣閥44可類似地布置在排氣口32中並被構造成可選擇地接合閥座48。閥元件46能夠在第一位置與第二位置之間運動，在第一位置，閥元件46與閥座48接合以防止流體相對於排氣口34流動，在第二位置，閥元件46從閥座48移開以允許流體流動。

一系列閥致動組件(未示出)可與發動機10以可操作方式相聯，以在第一位置和第二位置之間移動閥元件40和46。應該注意到，各氣缸蓋18可包括多個吸入口32和多個排氣口34。各口可與吸入閥元件40或排氣閥元件46相關聯。發動機10可包括用於各氣缸蓋18的閥致動組件，其被構造成致動氣缸蓋18的所有吸入閥38或所有排氣閥44。還可以想到，如果需要，單個閥致動組件可致動與多個氣缸蓋18相關聯的吸入閥38或排氣閥44。閥致動組件可具體為例如凸輪/推桿/搖臂結構、電磁致動器、液壓致動器、或該領域中已知的用於致動的其他裝置。

燃料引入裝置50可以與發動機10相聯以將加壓燃料引導進入燃燒室20。燃料引入裝置50可以具體為例如位於吸入歧管30上遊位置的電子閥。可以想到引入裝置50可以替代地具體為液壓、機械、或氣動致動的裝置，其可選擇地使加壓燃料加壓和/或允許其直接或以另 一方式進入燃燒室20。燃料可包括壓縮的氣體燃料，諸如天然氣、丙烷、沼氣、垃圾填埋氣、或氫氣。還可以想到燃料可以是經液化的，例如可將汽油、柴油、甲醇、乙醇、或任意其他液體燃料注入燃燒室20，並且可需要車載泵(未示出)來對燃料加壓。

由引入裝置50輸出的燃料量可以與引入燃燒室20中的空氣-燃料比率相關聯。例如，在所公開的實施方式中，理想的是將空氣和燃料的化學計量混合物(該混合物具有正好足夠的空氣以完全燃燒燃料量)引入燃燒室20。然而，在可選實施方式中，與需要燃料和空氣的富混合物(與空氣量相比，該混合物具有相對較多的燃料量)相比，如果需要將空氣和燃料的稀混合物(與空氣量相比，該混合物具有相對較少的燃料量)引入燃燒室20，則引入裝置50可在注入位置保持較短的時間(或者被控制為在每個給定周期注入較少燃料)。相似地，與需要稀混合物相比，如果需要空氣和燃料的富混合物，引入裝置50可在注入位置保持更長時間(或被控制為在每個給定周期注入較多燃料)。

如圖2所示，發動機10可配備有火花塞組件54，其被構造成幫助點燃燃燒室20中的空氣/燃料混合物。具體而言，當活塞16在壓縮行程中靠近TDC時、當活塞16在做功行程中離開TDC時、或者在另一適當時刻，空氣/燃料混合物可以由傳播進入燃燒室20的火焰射流點燃。火焰射流可由與火花塞組件54相聯的一個或多個部件產生。

火花塞組件54可以包括火花塞56，火花塞56具有從第一端伸出的電極58和在相對的第二端大致圍繞火花塞56的外周的多個外螺紋60。電極58可延伸經過火花塞56的本體，並且至少部分地進入燃燒室20。螺紋60可以被構造成與氣缸蓋18和/或火花塞組件54的一個或多個部件直接接合。

火花塞組件54還可包括延伸部62，延伸部62具有電極64、絕緣體66和外殼68。電極64可以在第一端連接至電極58，並且在相對的第二端連接至電源(未示出)。絕緣體66可以設置在電極64與外殼68之間，以將電極64與外殼68電隔離。外殼68可以為由導電 材料製成的筒狀體。在一些實施方式中，墊圈70可以鄰接火花塞56的座表面72，座表面72擱置在火花塞井74的底部表面上。墊圈70可提供氣缸蓋18與火花塞56之間的緊密密封，以阻斷油和/或氣體不希望地洩漏進入或離開燃燒室20。

電極58、64可以由導電金屬諸如鎢、銥、銀、鉑和金鈀製成，並被構造成從電源引導電流以電離(即，在其中產生電暈)燃燒室20的空氣/燃料混合物，從而點燃空氣/燃料混合物。在所公開的實施方式中，電極58的一部分至少部分地延伸進入燃燒室20以形成火花端76。火花端76可靠近接地電極78定位，使來自電源的電流可流經電極58並且然後從火花端76至接地電極78，從而生成火花以點燃燃燒室20中的空氣/燃料混合物。

在圖2示出的實施方式中，火花塞組件54還可以包括大致為環形的插件80，其被構造成促進火花塞56的冷卻。具體而言，插件80可包括至少部分地形成冷卻通道82的外部環形凹部，冷卻通道82大致圍繞插件80。冷卻通道82可整體圍繞插件80的外周，使其有利於熱能遠離火花塞56傳遞。可將冷卻劑諸如乙二醇、水、水/乙二醇混合物、或該領域已知的其他冷卻劑從發動機10的一個或多個額外的冷卻部件引入冷卻通道82。

例如，冷卻劑可以經進口冷卻通道84進入氣缸蓋18，冷卻劑在氣缸蓋18的下部被分開進入兩個較小的冷卻通道86、88。冷卻通道88可以將冷卻劑引入布置在氣缸蓋18中的主冷卻套90，而冷卻通道86可以將冷卻劑引導至通道82。在離開冷卻通道82之後，冷卻劑可以經冷卻通道92被重新引導至主冷卻套90。冷卻通道92可相對於氣缸蓋18的底部表面94(例如火力面(firedeck))成20至25度角，以允許冷卻劑以恆定速率在氣缸蓋18中流動。在一些實施方式中，冷卻通道86可具有比冷卻通道88明顯更大的直徑(即，允許明顯更大的體積流率)。該構造可允許冷卻劑以與沒有冷卻通道82的氣缸蓋構造中大致相同的速率流入主冷卻套90。因此，增加冷卻通道82不會顯著影響冷卻劑在氣缸蓋18中的流率。

在火花塞組件54的安裝過程中，插件80的外部徑向表面可與形成在氣缸蓋18中的階梯孔96接合，以使插件80提供與氣缸蓋18的緊密密封，從而防止冷卻劑洩漏進入燃燒室20和/或火花塞井74。在一些實施方式中，階梯孔96與插件80的外部徑向表面之間的接合可以為緊密過盈配合(即壓配合)，其提供冷卻通道82上方和下方的密封。此外，插件80可具有形成在插件80的內部徑向表面上的多個內螺紋81。螺紋81可以被構造成與火花塞56的外螺紋60直接接合。在組裝過程中，插件80可以被壓配到階梯孔96中，然後可以通過螺紋60、81將火花塞56旋入插件80。

在所公開的實施方式中，插件80優選由耐久、耐熱、且導熱的材料諸如灰口鐵製成。氣缸蓋18也可以由灰口鐵製成，其可允許插件80以與氣缸蓋18大致相同的速度膨脹和收縮。然而，可以想到，如果需要，插件80可以由其他適當材料製成。此外，應該注意到，在所公開的實施方式中，插件80為與氣缸蓋18和火花塞56分開的部件。然而在其他實施方式中，插件80可選地與氣缸蓋18或火花塞56是一體的。

圖3提供了另一示例性公開的火花塞組件98。與火花塞組件54相比，火花塞組件98可以不包括圍繞火花塞56的插件。代替地，為了有利於火花塞56的冷卻，火花塞組件98中的火花塞56可以具有增加螺紋長度的螺紋60。具體而言，螺紋60可具有約1.7的螺紋長度-直徑比率。在一種實施方式中，螺紋60可具有約30毫米的螺紋長度L以及約18毫米的螺紋直徑D。此處使用的詞語「約」旨在將正常的製造公差考慮在內。應該注意到，在所有其他方面，火花塞組件98可以與火花塞組件54大致相同。

火花塞組件98中增加的螺紋長度可對火花塞56提供更大的接觸面積，以向氣缸蓋18傳熱，從而允許火花塞56以更快的速度冷卻。此外，通過在氣缸蓋中向上更高地移動火花塞56的座表面72並因此進一步遠離燃燒室20，位於火花塞56的該具體區域的部件(例如墊圈70和座表面72)可經歷更低的溫度。由此，這些部件可經歷更小 的熱變形(例如蠕變)。

應該注意到，具有螺紋的長度-直徑比率小於約1.5的螺紋的火花塞經歷明顯更低的冷卻速度。另一方面，具有螺紋的長度-直徑比率大於約2.0的螺紋的火花塞無需具有較大的尺寸並且不會提供明顯更快的冷卻速度。

圖4示出又一示例性公開的火花塞組件100。火花塞組件100可與火花塞組件54大致相同，如在火花塞組件98中提供的添加了增加的螺紋長度。具體而言，如在火花塞組件98中，火花塞組件100中的火花塞56可具有螺紋長度-直徑比率為約1.7的螺紋60。火花塞組件100可結合在火花塞組件54和火花塞組件98中討論的兩種冷卻方法，並獲得大致相同的優勢，提供甚至更好的火花塞56冷卻。

工業實用性

本發明公開的火花塞組件可實施於利用發動機冷卻的任意發動機應用中。在一種實施方式中，所公開的火花塞組件可包括形成在火花塞插件和氣缸蓋之間的冷卻通道，以對火花塞提供增強的冷卻。在另一實施方式中，所公開的火花塞組件可具有與火花塞相關聯的增加的螺紋長度，以進一步對火花塞提供增強的冷卻。在又一實施方式中，所公開的火花塞組件可將火花塞插件與增加的螺紋長度結合起來，以對火花塞提供更好的冷卻。下面將描述用於引導冷卻劑經過氣缸蓋的方法。

參照圖2和圖4，冷卻劑可從發動機10的一個或多個額外的冷卻部件經由進口冷卻通道84被引導進入氣缸蓋18。在氣缸蓋18中，冷卻劑可分開進入冷卻通道86、88。例如，冷卻劑可被分成進入冷卻通道86的第一股流和進入冷卻通道88的第二股較小流。來自冷卻通道88的冷卻劑可流入主冷卻劑套90。來自冷卻通道86的冷卻劑可流入圍繞插件80的冷卻通道82。流經冷卻通道82的冷卻劑可吸收來自氣缸蓋18、插件80和/或火花塞56的熱能。然後，冷卻劑可經冷卻通道92離開冷卻通道82並繼續來到主冷卻劑套90。

對該領域技術人員來說容易得知可以對所公開的火花塞組件進行各種修改和變化。通過考慮所公開的火花塞組件的本說明書和實踐，其他實施方式對該領域技術人員來說是容易獲得的。本說明書和實例僅應被視為是示例性的，本發明的真正保護範圍由權利要求及其等同物確定。