CN108028515B - 多电极火花塞 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种具有大的火花目标体积的多电极火花塞。火花塞具有多个接地电极杆，该接地电极杆从火花塞的基部延伸并围绕中心电极扭绞以提供相对于中心电极基本上等距的多个火花点。该火花点平行且围绕火花塞的细长轴线形成。这种构造能够在燃料对空气的局部浓度更浓的情况下产生火花，例如当发动机以更低的每分钟转速运转时可能存在火花。测试结果表明，配备有多电极火花塞的汽车表现出改善的燃料经济性，并大大降低了排放和空气污染。

Description

多电极火花塞

相关申请信息

本申请根据35U.S.C.第119(e)节要求在2015年9月10日提交的题为“多电极火花塞(MULTI-ELECTRODE SPARK PLUG)”的美国临时专利申请序列号62/216,925的优先权，其公开内容通过引证整体并入本文。

技术领域

本发明整体涉及用于内燃机的火花塞，并且更具体地涉及具有形成大的三维火花体积的多个接地电极的火花塞。

背景技术

众所周知，内燃机为一种通过燃烧产生的气体膨胀对发动机的某个部件施加力的发动机。在往复式发动机中，活塞在汽缸内上下运动，并经由连杆传递来自膨胀气体的力以使曲轴转动。活塞通常使用活塞环与汽缸气密。燃烧室由活塞上方的汽缸内的空间组成，燃料/空气混合物在该空间内发生燃烧。

存在各种内燃机，但最常见的变体为二冲程和四冲程汽油动力发动机。这种发动机具有至少一个汽缸，并且往往具有更多(例如4、6、8、12个汽缸等)。无论汽缸的循环类型和数量如何，当活塞在一个方向(即压缩冲程)上移动时，空气燃料混合物被该活塞压缩，并然后被火花塞点燃以在相反方向上驱动该活塞(即，燃烧冲程)。

在二冲程发动机中，活塞仅以两个冲程完成全动力循环，因为燃烧冲程的结束和压缩冲程的开始同时发生，并且因为进气和排气功能也发生在相同的时间。这是可能的，因为往复运动的活塞阻塞和开启位于汽缸侧壁中的进气口和排气口。

相比之下，在常常用于汽车应用的四冲程发动机中，活塞每个动力循环完成四个独立的冲程，包括进气、压缩、做功和排气冲程。四冲程发动机通常使用位于将活塞密封在汽缸内的汽缸盖中的进气阀和排气阀。在每个四冲程动力循环的进气和排气冲程(即进气，压缩，做功和排气冲程)期间，进气阀和排气阀在适当的时间打开和关闭对应的端口并持续适当的时间。

通过将燃料(例如汽油)与氧化剂(例如空气)组合以形成燃料空气混合物，然后用点火***点燃该燃料空气混合物来完成燃烧。在传统车辆中，点火***由多个火花塞(每个汽缸一个)、点火线圈或其他高压源、分配器以及火花塞导线组成，该分配器将来自点火线圈的高电压引导至与每个火花塞相关联的输出端，该火花塞导线将来自分配器输出端的高电压输送至每个对应的火花塞并由此引发点燃周围燃料空气混合物的火花。

火花塞点燃汽油发动机中的燃料/空气混合物。根据***，火花塞为“[a]用于在发动机内包含燃烧压力时，将电流从点火***输送到火花点火发动机的燃烧室以通过电火花点燃压缩的燃料/空气混合物的装置。”

图1示出了典型的J型或单电极火花塞110。它包括金属火花塞壳体120和单个接地电极130、绝缘本体140(例如瓷器，高纯度氧化铝等)、中心电极150，该金属火花塞壳体具有接合汽缸盖中的螺纹孔的螺纹122，该单个接地电极从火花塞壳体120的底部121突出并向下延伸并然后向内延伸以提供熟悉的J形，该中心电极被绝缘本体140包围且从与火花塞导线(未示出)配对的端子160延伸以延伸出绝缘本体140的底部并在非常靠近接地电极130的位置终止。中心电极150和接地电极130之间的空间限定“火花间隙”135。如果需要，可以通过用合适的工具弯曲接地电极130来调整间隙135。

在操作中，当高电压被供应给非常靠近接地电极130的中心电极150时，火花间隙135中的燃料/空气混合物变为离子化，从而形成低电阻电路径，并且火花塞通过使火花跳过两个电极之间的间隙来“点火”。火花点燃位于燃烧室内的燃料/空气混合物，该燃料/空气混合物迅速燃烧、膨胀并使活塞在汽缸内移动。

工程师已经使用各种技术来尝试形成更均质的燃料/空气混合物，从而形成更高效的发动机。例如，为了形成和控制湍流，一些人可能已经通过改变活塞头的形状或汽缸盖的内部形状或者通过增加阀和相应端口的数量来改变燃烧室的构形，例如试图以螺旋图案喷射燃料/空气混合物。尽管如此，燃料/空气混合物保持非均质性，尤其是在符合典型城市驾驶的“走走停停”驾驶的低的每分钟发动机转速(“RPM”)下，从而导致不完全燃烧/缓慢燃烧、沾污火花塞、增加的排放/污染和较低的燃料经济性。在高速公路上以更恒定的速度行驶的汽车(而不是“走走停停”类型的城市驾驶)使发动机保持在2000RPM以上运行并使燃料/空气混合物更均质，并因此汽车将具有更少的排放/污染并且效率将更高。

市场上看到一些多电极火花塞与传统的J型火花塞相比具有不同程度的改进，但它们仍然存在某些缺陷。例如，图2示出了示例性火花塞210，其在中心电极250的相对侧上具有两个接地电极230。以类似的方式，图3示出了具有围绕中心电极350的四个接地电极330的另一个示例性火花塞310。

一些人认为，图2和图3所示的火花塞210和310对于城市驾驶的“走走停停”类型没有帮助，但是由于当一个接地电极被弄脏另一个接地电极由于尚未被弄脏而从本质上将变得对火花更具吸引力这一事实，对火花塞变化之间的更长里程有帮助。然而，每个单独的接地电极周向地为火花跳跃提供有限且非常窄的目标体积/面积，并且每个接地电极像传统的J型电极一样从火花塞延伸，使得延伸部倾向于阻碍火花接近相邻的燃料/空气混合物。

另外，来自图3的J型电极330以及电极330如何布置的方式将减缓燃烧室内爆发的扩散，从而导致空气燃料混合物的缓慢且低效的燃烧，从而增加了排放并降低了里程。将J型电极的数量进一步增加到5个、6个或更多个电极将会更多地屏蔽燃烧室的其余部分的火花区域，从而减缓爆发的扩散并且抵消具有2个、3个、4个或更多的火花路径的益处。

因此，需要改善火花塞的性能。

发明内容

在第一方面中，公开了一种火花塞。火花塞包括具有开孔的绝缘本体，围绕绝缘本体的至少一部分的管状的导电壳体以及定位在绝缘本体的开孔内的柱形的中心电极，该中心电极具有中心纵向轴线，该中心电极从绝缘本体突出，从而形成适于用作火花生成部分的终端部分。火花塞还包括围绕中心电极的多个接地电极，每个接地电极具有耦接到导电壳体的基端和形成大致弯曲的路径的上部部分，该弯曲的路径具有距中心电极大致恒定的径向火花间隙距离并且沿着纵向轴线部分地延伸。

在第一优选实施例中，弯曲的路径包括围绕中心电极的纵向轴线形成的螺旋的一部分。径向火花间隙优选地在约1.7毫米至约4.75毫米的范围内。中心电极的火花生成部分和接地电极的上部部分优选地形成三维火花目标体积。火花目标体积优选地高达约100立方毫米。该火花目标体积优选地包括用于允许燃烧燃料自由扩散的大体上敞开的体积。多个接地电极中的一个接地电极优选地包括双金属结构，该双金属结构被构造成随着温度升高而径向远离中心电极移动。多个接地电极中的一个接地电极优选地包括具有正温度系数的导体，该导体的电阻随着温度升高而增加。火花塞优选地还包括比多个接地电极更靠近中心电极定位的附加固定接地电极。多个接地电极优选地包括六个接地电极。接地电极的每个上部部分优选地与相邻的接地电极的下部部分部分地重叠。

在第二方面中，公开了一种火花塞。火花塞包括具有开孔的绝缘本体，围绕绝缘本体的至少一部分的管状的导电壳体以及定位在绝缘本体的开孔内的柱形的中心电极，该中心电极具有中心纵向轴线，该中心电极从绝缘本体突出，从而形成适于用作火花生成部分的终端部分。火花塞还包括围绕中心电极的多个柱形、矩形或三角形接地电极，每个接地电极具有耦合到导电壳体的基端和形成大致弯曲的路径的上部部分，所述弯曲的路径具有距所述中心电极大致恒定的径向火花间隙距离并且部分地沿着纵向轴线延伸，所述接地电极以周向重叠的方式围绕所述中心电极。中心电极的火花生成部分和接地电极的上部部分形成三维火花目标体积。火花目标体积高达约100立方毫米。

在第二优选实施例中，多个接地电极中的一个接地电极包括双金属结构，该双金属结构被构造成随着温度升高而径向远离中心电极移动。多个接地电极中的一个接地电极优选地包括具有正温度系数的导体，该导体的电阻随着温度升高而增加。火花塞优选地还包括比多个接地电极更靠近中心电极定位的附加固定接地电极。多个接地电极优选地包括六个接地电极。

在第三方面中，公开了一种火花塞。火花塞包括具有中心纵向轴线的柱形的中心电极，该中心电极形成适于充当火花生成部分的终端部分，以及围绕中心电极的从而形成三维火花目标体积的多个接地电极，每个接地电极具有基部和形成大致弯曲的路径的上部部分，该弯曲的路径具有距中心电极大致恒定的径向火花间隙距离并且沿着纵向轴线部分地延伸。

在第三优选实施例中，火花目标体积达到约100立方毫米。该火花目标体积优选地包括用于允许燃烧燃料自由扩散的大体上敞开的体积。接地电极的每个上部部分优选地与相邻的接地电极的下部部分部分地重叠。

本发明具有其他目的和优点特征，从下面结合附图对实施本发明的优选实施例的描述中将更容易明白。

附图说明

图1为具有单个J型接地电极的现有技术火花塞的侧视剖视图。

图2为具有两个接地电极的现有技术火花塞的正面立体图。

图3为具有四个接地电极的现有技术火花塞的正面立体图。

图4为一个或多个实施例中的新型智能火花塞的立体图。

图5为一个或多个实施例中的新型智能火花塞的底视图。

图6A至图6C为传统铂火花塞、传统铱火花塞以及智能火花的一个或多个实施例的示意图，其分别示出三种类型火花塞中的每一种火花塞的相对火花目标体积。

图7为描绘由新型智能火花塞产生的火花倾向于“搜寻”到富含燃料的环境中的底视图。

图8为在进行修改以使火花塞适应智能火花塞之前的传统火花塞的侧视立体图。

图9为去除了接地电极的传统火花塞的侧视立体图。

图10为在一个或多个实施例中的传统火花塞的侧面立体图，其具有在火花塞壳体中铣出的六个孔。

图11为定位在六个铣孔中的六个杆的侧视立体图。

图12和图13为在一个或多个实施例中接收对准套圈的火花塞的侧视剖视图。

图14为围绕对齐套圈形成并扭曲的杆的侧视立体图。

图15为在一个或多个实施例中移除了套圈的智能火花塞的侧视立体图。

图16和图17分别为示出在一个或多个实施例中用于制造六杆智能火花塞的制造细节的示意图的底视图和侧视图。

图18A和图18B分别为示出制造在一个或多个实施例中采用***件的六杆智能火花塞的制造细节的示意图的底视图和侧视图。

图19A为实施例中的***件的立体图。

图19B为定位在火花塞中的***件的立体图。

图20和图21示出了当在一个或多个实施例中从活塞内部观察时具有规则中心电极的智能火花塞的火花间隙尺寸/体积的立体图。

图22和图23示出了当在一个或多个实施例中从活塞内部观察时具有小中心电极的智能火花塞的火花间隙尺寸/体积的立体图。

图24和图25示出了当从活塞内部观察时规则的火花塞(大部分现有火花塞)的火花间隙尺寸/体积的立体图。

图26为比较智能火花与传统火花塞的一个或多个实施例的性能的图表。

图27为比较智能火花塞与传统火花塞的实施例的烃排放的柱形图。

图28为比较智能火花塞与传统火花塞的实施例的一氧化碳排放的柱形图。

图29为比较智能火花塞与传统火花塞的实施例的氮氧化物排放的柱形图。

图30为示出在EPA公路按35英里每小时(“MPH”)驾驶时间表的燃料消耗测试的图表。

图31为示出在EPA公路按25MPH驾驶时间表的燃料消耗测试的图表。

图32为在采用传统火花塞的汽车上进行的测功计(Dynamometer)测试。

图33为在采用智能火花塞的汽车上进行的测功计测试。

图34为在采用传统火花塞的汽车上进行的扭矩测功计测试。

图35为在采用智能火花塞的汽车上进行的扭矩测功计测试。

图36为在采用传统和智能火花塞的汽车上进行的扭矩测功计测试的测试结果。

图37为采用双金属电极的低压智能火花塞的底视图。

图38为采用正温度系数电极的低压智能火花塞的底视图。

图39为可变间隙智能火花塞的底视图。

具体实施方式

在一个或多个实施例中，火花塞包括围绕中心电极的多个接地电极，从而形成大的三维火花目标体积。接地电极从火花塞的基部延伸并围绕中心电极扭绞以提供相对于中心电极基本上等距的多个火花点。火花点平行且围绕火花塞的细长轴线形成。这种构造可以在燃料与空气的局部浓度更浓的情况下形成火花。

图4示出了根据当前优选实施例制造的新型智能火花塞10的原型。如图所示，智能火花塞10独特地具有多个接地电极30，这里是六个，其从火花塞基部20的底表面21延伸并且围绕火花塞的中心电极50重叠扭绞。接地电极30相对于中心电极50的这种独特构造提供了多个基本等距的火花点，并且该火花点与火花塞10的细长纵向轴线60平行并围绕火花塞10的细长纵向轴线60。新设计在燃烧室的中心区域的中心电极50周围形成无限数量的柱形或环形形状的火花路径，而不会为燃烧室的其余部分屏蔽火花区域。一个或多个实施例提供了改进的火花塞，其自动产生高张力电压跳变，该高张力电压跳变更有效地点燃与“走走停停”类型的城市驾驶相关联的不均匀混合的燃料/空气混合物。

图5为新型智能火花塞10的底视图，其示出了在一个或多个实施例中接地电极30如何在火花塞的中心电极50周围重叠扭转。这种独特的布置基本上为火花跳跃提供了大的目标区域，同时为由火花引起的燃料燃烧提供相对不受约束的扩散路径。本质上，围绕中心电极50扭转的重叠接地电极30提供柱形或环形目标区域，其围绕中心电极并且具有与火花塞的纵向轴线60平行的相当的长度。在一个或多个实施例中，每个火花塞的接地电极的数量可以从2到10个或更多。

智能火花塞10的操作基于通过实验观察确认的理论，即更浓的燃料/空气混合物中的碳氢化合物为火花提供阻力最小的电气路径。据信新型智能火花塞10在低的每分钟转速(“RPM”)下提供更高的效率和更彻底的燃烧，因为它的构造允许火花唯一地“搜寻”燃料/空气混合物的最浓区域。对于在约2,000RPM以下运行的发动机，在较高速度下的燃料/空气比较不均匀(即均质)。在这种情况下，燃料/空气混合物在汽缸的一侧比在另一侧更浓。因此，新的智能火花塞10可以最大程度地有助于低的RPM、走走停停驾驶。它也可以帮助提高与自动变速箱换档相关的RPM下降时的效率。

如图5和图6所示，在一个或多个实施例中，火花塞10包括具有开孔42的绝缘本体40和围绕该绝缘本体40的至少一部分的火花塞基部20(即，管状导电壳体)。柱形的中心电极50位于绝缘本体40的开孔42内。中心电极50具有中心纵向轴线60，中心电极50从绝缘本体突出，从而形成适于充当火花生成部分的终端部分52。火花塞10还具有围绕中心电极50的多个接地电极30，每个接地电极具有：基端32，耦接到导电壳体20；和细长的上部部分34，该上部部分从基端延伸至远端以形成大体上弯曲的路径并具有细长的内表面，该细长的内表面具有距中心电极50大致恒定的径向火花间隙距离72并且在围绕纵向轴线弯曲的同时沿纵向轴线60部分地延伸。如本文所使用的以及如本领域中通常使用的，术语“径向”和“径向地”是指垂直于纵向轴线60的方向或射线。在一个或多个实施例中，弯曲的路径包括围绕中心电极50的纵向轴线60形成的螺旋的一部分。在一个或多个实施例中，接地电极30为柱形杆。在一个或多个实施例中，径向火花间隙72处于约1.7毫米至约4.75毫米的范围内。

在一个或多个实施例中，中心电极50的火花生成部分52和接地电极30的上部部分34形成三维火花目标体积74(参见图6C)。围绕中心电极50扭转的重叠接地电极30提供柱形或环形目标区域，其围绕中心电极并且具有与火花塞的长轴线60平行的相当的长度。在一个或多个实施例中，火花目标体积74约为100mm³(立方毫米)。在一个或多个实施例中，火花塞可以包括围绕中心电极50的多个柱形、矩形或三角形接地电极30，

如图5和图6所示，由于电极的数量和尺寸为燃料/空气混合物提供了进入火花目标体积并用于燃烧燃料不受约束地扩散的大量敞开的无障碍的空间，所以火花目标体积74包括用于允许燃烧燃料自由扩散的通常敞开的体积。

图6A至图6C为传统铂火花塞110a、传统铱火花塞110b以及智能火花塞10的实施例的示意图，其分别示出三种类型火花塞中的每一种火花塞的相对火花目标体积。图6A和图6B中描绘的传统火花塞示出了火花目标体积通常为具有窄直径和短高度的小圆柱体。计算结果表明，传统火花塞的火花目标体积约为4立方毫米，铱火花塞约为0.4立方毫米。经计算智能火花目标体积74约为100立方毫米，分别比传统火花塞和铱火花塞大25和250倍。智能火花塞的实施例能够以20至100倍于传统火花塞的体积围绕中心电极360度点火。实施例感测燃料空气混合物更浓(在燃料中)的位置并且在该精确点点火。由此产生的快速和完全燃烧致使高功率、低燃料消耗并且大幅减少甚至消除有害排放物。

返回参考图2和图3，火花塞210和310的火花目标体积预计不具有由智能火花塞10表现出的大的火花目标体积。例如，火花塞210的接地电极230以靠近中心电极250的平坦表面232终止，其中，平坦表面的表面区域与传统火花塞110的接地电极130的表面区域相似。接地电极230未被构造为围绕中心电极250扭绞，并因此不提供柱形或环形目标区域。对于具有四个具有平坦表面332的电极330的火花塞310同样如此。因此，火花塞210和310不会形成智能火花塞10的大火花目标体积。

图7示出了丁烷打火机90的图示，其示出了根据第一优选实施例的智能火花塞10的一个或多个实施例的功效。火花塞10的实施例由点火源重复驱动以在其中心电极50和其多个周向延伸的接地电极30中的变化的一个接地电极30之间生成火花11。在该确认实验中，丁烷打火机90及其相关火焰91围绕被驱动的火花塞10移动，并且可以观察到火花11将跳跃到由火焰91所提供的更浓的燃料/空气混合物附近的接地电极30。

图8至图15描绘了用于制造智能火花塞10的一个或多个实施例的示例性过程。目前优选的智能火花塞通过从传统火花塞110中移除传统J型接地电极130并在其基部20的底面21中精确钻出六个孔23来制造。并然后焊接在将用作接地电极30的六个杆30中。具体地，图8示出了从具有J型接地电极130的传统火花塞110开始的制造。图9示出了在其J型接地电极130已被移除之后的火花塞110。图10示出了在将六个孔23精确地钻入其基部20的底面21之后的火花塞10(其不再是传统的)。图11示出了六个杆30之后的火花塞10，该六个杆30将用作已经***并焊接到六个孔23中的接地电极30。图12示出了被定位在六个杆30和中心电极50之间的环形空间中的套圈70。图13示出了仍然笔直的围绕套圈70的六个杆30。图14示出了在围绕套圈70弯曲以形成以圆周重叠的方式围绕中心电极的接地电极30之后的六个杆30。图15示出了移除了套圈70的新型智能火花塞10的底部处的六个接地电极30。

图16和图17提供了六杆智能火花塞10的目前优选的制造细节。在一个实施例中，接地电极30测量11毫米，并且通过孔23嵌入底面21中。图17示出了定位在位于火花塞基部20内的绝缘本体40内的中心导体(中心电极50)。

图18A和图18B示出了制造六杆式智能火花塞10的替代版本的“***方法”方法。在这里，使用具有六个杆30的***件35。***件35将由不锈钢管或管材制成，并且可以在移除其电极之后附接到任何现有的火花塞。在每个火花塞上精确钻出六个孔之后，将***件35焊接在几个点上应该比完全围绕每根杆焊接六个杆30的当前方法便宜。在一个实施例中，***件35包括下部部分36和具有较大外径的***肩部37。下部部分36具有2毫米的高度，***肩部具有1.5毫米的高度，并且在一个实施例中，从***件的底部到接地电极30的顶部的距离测量为10毫米。在焊接***件之后，杆30将围绕套圈70弯曲以形成以周向重叠的方式围绕中心电极的接地电极30。

图19A为一个或多个实施例中的一件式***件80的立体图。***件80包括中空柱形基部84和多个接地电极82。图19B为定位在火花塞中的***件80的立体图。柱形基部84围绕绝缘本体40定位并且与导电火花塞壳体电接触。接地电极82从柱形基部84延伸并且围绕火花塞的中心电极50重叠扭绞。接地电极82相对于中心电极50的这种独特构造提供了多个基本等距的火花点，并且该火花点与火花塞的细长纵向轴线平行并围绕火花塞的细长纵向轴线。新设计在燃烧室的中心区域的中心电极50周围形成无限数量的柱形或环形形状的火花路径，而不会为燃烧室的其余部分屏蔽火花区域。

图20和图21示出了当在一个或多个实施例中从活塞内部观察时具有规则中心电极的智能火花塞的火花间隙尺寸/体积的立体图。图20所示实施例的火花间隙为3.75毫米。在一个实施例中，从底表面21延伸的接地电极30的高度为4.3毫米。

图22和图23示出了当在一个或多个实施例中从活塞内部观察时具有小中心电极的智能火花塞的火花间隙尺寸/体积的立体图。在一个实施例中，从中心电极50的中心到接地电极30的细长的内表面的距离为4.7毫米，并且暴露的接地电极30的高度为5.5毫米。

图24和图25示出了当从活塞内部观察时规则的火花塞110(大部分现有火花塞)的火花间隙尺寸/体积的立体图。接地电极130从火花塞延伸8毫米，并且例如形成1.3毫米的火花间隙。

通过比较使用传统火花塞和智能火花塞的汽车的性能进行了几项测试。该测试包括比较几款汽车的污染排放、燃料经济性和发动机性能。智能火花塞的实施例可以减少来自内燃机的空气污染的排放。

汽车、轻便摩托车、摩托车、发电机和动力工具是非常有用的，但会伴以排放和空气污染的代价。1967年，加利福尼亚州成立了加州空气资源委员会来防治汽车空气污染。1970年，美国联邦政府成立了美国环境保护署(EPA)。目前，全球大多数国家都对测量并满足规定数值的汽车排放进行了调控。减少或消除污染对于减少气候变化的影响非常重要，因为一些人认为，如果不加控制，气候变化可能会迫使每13种物种中平均有1种物种灭绝。

许多国家都采取了反污染措施。在德国，自2010年起，柏林在市中心有一个“生态区”，只有贴有低排放标签的车辆才能进入。在英国，自2003年以来，伦敦市中心实施拥堵收费。在希腊，自1982年以来，雅典采用交替交通***。在意大利，自20世纪90年代以来，罗马采用了交替交通***并在历史中心采用了限制交通区域。在葡萄牙，里斯本历史悠久的市中心针对2000年以前制造的车辆有一些交通限制区。在斯堪的纳维亚半岛，瑞典有拥堵收费，丹麦有自行车道，挪威有拥堵收费和电动汽车。在法国首都巴黎，在2015年3月23日采用了紧急交通限制措施，通过采用每两辆汽车、轻便摩托车或摩托车中就有一辆禁止进入首都的交替交通***，以减少巴黎天空的污染。

内燃机排放CO₂(二氧化碳)，其不直接有害但会引起全球变暖，HC(未燃烧的碳氢化合物)，HC为造成烟雾的主要原因并与哮喘、肝脏疾病、肺部疾病和癌症相关，CO(碳一氧化碳)，CO会降低血液携带氧气的能力并且过度吸入是致命的，以及NO(氮氧化物)，NO为烟雾和酸雨的前兆并可能破坏对呼吸道感染的抵抗力。

为了研究配备有智能火花塞实施例的汽车的性能，对多辆汽车进行了几次测试。在第一次测试中，在加利福尼亚烟雾检查站对2002款的克莱斯勒

升V6发动机进行了污染减少评估测试。同一辆车进行了两次测试。在一次测试中，安装了传统火花塞，并且在第二次测试中，安装了智能火花塞。

下面的表I和II分别给出了安装传统火花塞和智能火花塞的汽车的排放测试结果。

测试	RPM	％CO2	％O2	HC(PPM)'	CO(％)	NO(PPM)
							M1：15MPH	1628	15.0	0.2	50	0.09	387
M2：25MPH	1664	15.0	0.1	4	0.00	49

表I-市场领先火花塞的排放结果

测试	RPM	％CO2	％O2	HC(PPM)'	CO(％)	NO(PPM)
							M1：15MPH	1684	14.9	0.1	6	0.00	52
M2：25MPH	1669	15.0	0.1	0	0.00	9

表II.智能火花塞的排放结果

图26呈现了总结测试结果的图表。该图表列出了配备传统火花塞的汽车以及配备智能火花塞的汽车的碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物的排放结果。在该测试中，相对于碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物的排放，具有智能火花塞的实施例的汽车优于运行传统火花塞的汽车。图27呈现了3D柱形图格式中降低HC排放(PPM)的改善。图28呈现了3D柱形图格式中降低CO排放(％)的改善。图29呈现了3D柱形图格式中降低NO排放(PPM)的改善。

总之，本文描述的实施例已经表明，在HC排放(>800％改善)、CO(>900％改善)和NO(>700％改善)方面优于传统火花塞。排放量平均提高8倍。不同品牌的传统火花塞之间污染排放的典型差异可能在5％至10％之间。

进行第二次测试以确定采用安装在2014款丰田

升4缸汽油发动机中的火花塞的实施例的发动机燃料效率的增加。这款车在平均速度为48.3MPH和最高时速为60MPH上的EPA高速公路评级为每加仑35英里(“MPG”)。这款车在平均速度为21.2MPH和最高速度为56.7MPH时的EPA城市评级为25MPG。EPA综合评级为28MPG。用户的平均值是27.3MPG。

燃料经济性的EPA测试需要车辆通过一系列预定的驾驶例程，这些例程被称为指定测试期间每个时间点的车辆速度的时间表或循环。图30为示出在EPA公路按35MPH驾驶时间表的燃料消耗测试的图表。该测试代表了乡村和州际公路交通的组合，其中，温度升高的发动机可以表示较长时间的自由行驶交通。该测试持续了765秒，每辆车驾驶10.26英里，平均速度为48.3MPH。

图31为示出在EPA公路按25MPH驾驶时间表的燃料消耗测试的图表。该测试的目的是代表城市驾驶，车辆在发动机冷启动的情况下启动，并在走走停停的交通中行驶。该测试持续1874秒，车辆行驶11.44英里，平均速度为21.2MPH并且最高速度为56.7MPH。

使用2014丰田

进行驾驶测试，以确定由于使用本文所述智能火花塞实施例而所得的燃料效率。燃料消耗量通过特定车辆2014年丰田

的燃料消耗量数据开始确定，在该车辆配备传统火花塞时在测试路线上驾驶这辆车，并在车辆配备智能火花时再次在测试路线上驾驶这辆车。配备传统火花塞的汽车的燃料经济性为27.5MPG。相比之下，配备智能火花塞的汽车表现出34.7MPG的显著更好的燃料消耗。

具体地，这辆车通过加利福尼亚州、内华达州和亚利桑那州行驶了2269英里，其公路速度从75到85MPH不等。当测试传统火花塞时，平均读数为27.5MPG，这与EPA评级一致。当采用智能火花塞时，平均气体燃料效率为34.7MPG，燃料经济性提高了26％。

2014款丰田

也进行了测功计测试功率测试，评估了3次测试中的最佳结果。测功计测量显示出具有传统火花塞和智能火花塞的同一辆车在一定范围的速度下(MPH)产生的马力(“hp”)，整体图表和最大功率读数显示出，与传统火花塞相比，具有智能火花塞的车辆表现出相似的最大马力读数(MPG方面提高了燃料消耗)。

图32为采用传统火花塞的2014款丰田

进行的测功计测试。图33为在采用智能火花塞的汽车上进行的测功计测试。两张图都相似，显示处发动机在约20MPH时产生70马力(“hp”)，并在约85MPH时增加到最大马力。总之，具有传统火花塞的2014款丰田

产生157.96马力，而智能火花塞产生157.08马力。因此，配备智能火花塞的汽车产生与配备传统火花塞的汽车相似的最大马力。

也对2014款丰田

上产生的扭矩进行了测量。测功计的测量结果显示出具有传统的火花塞和智能火花塞的同一辆车在一定范围的速度下产生的扭矩，整体图表和扭矩读数显示出与传统火花塞相比，具有智能火花塞的车辆表现出更快的扭矩增长率(MPG方面增加了燃料消耗)。

图34为采用传统火花塞的丰田

上进行的扭矩测功计测试，图35为采用智能火花塞的汽车上进行的扭矩测功计测试。图36为在采用传统和智能火花塞的汽车上进行的扭矩测功计测试的测试结果。配备传统火花塞时，该车表现出175.55英尺磅(“ft-lbs”)的扭矩，配备智能火花塞时，该车表现出277.50ft-lbs的扭矩。当汽车配备了智能火花塞时，最大扭矩增加了58.07％，并且汽车表现出更快的增长率，并且上升得非常快，使得PCM根据预先设定的速率切断气体以控制上升。

因此，对不同汽车进行的第一次和第二次测试表明，配备智能火花塞的汽车可能会表现出少8倍的有害物质排放、更好的燃料经济性、动力没有下降、更大的扭矩以及更快更强力的响应。在减少有害排放、更好的燃料消耗，不降低动力、更高的扭矩和更快的响应方面表现出整体改善。

此外，更换现有的火花塞以减少污染可能会更容易。总而言之，智能火花塞可以提供更清洁的空气、降低全球变暖的速度、节约燃料以及更便宜的医疗保健。

使用两台相同的具有2.5升发动机的2016款丰田

汽车进行第三测试。第一辆车采用传统的铱火花塞，第二辆车采用智能火花塞。两辆车在两小时33分钟内行驶了193.9英里，平均时速76MPH。

配备OEM铱火花塞的汽车记录为27.4MPG。配备智能火花塞的汽车记录为30.2MPG。基于行车计算机，配备智能火花塞的汽车表现出10.2％的燃料消耗改善。基于行驶的里程的燃料经济性以及重新装满油箱所需的汽油量，配备智能火花塞的汽车的燃料经济性增加了9.2％。

配备智能火花塞的丰田

汽车也进行了烟雾检查。烟雾检查结果见下表III。

测试	RPM	％CO2	％O2	HC(PPM)'	CO(％)	NO(PPM)
							M1：15MPH	1388	14.8	0.2	0	0.00	0
M2：25MPH	1637	14.8	0.0	0	0.00	0

表III.具有智能火花的2016款丰田

的排放报告

烟雾测试表明，配备智能火花塞的丰田

汽车对碳氢化合物表现出零排放。一氧化碳和氮氧化物。

总之，初步测试表明配备有智能火花的实施例的汽车可以表现出更高的燃料效率，并减少或消除碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物的排放。

有很多可能的选择或改善。例如，中心电极50可具有菱形图案或以其他方式滚花，以提供增强的火花跳跃机会。沿着相同的线，螺旋电极30也可以具有类似的菱形图案。

也可以使用双金属布置，使得当暴露于燃烧热时，螺旋形接地电极50比接收火花塞基部的螺纹孔最初允许的距离扩大得更远。这将允许中心电极和螺旋电极之间的间隙增大，这可以进一步提高效率。

智能火花塞也在配备二冲程和四冲程燃气发动机的动力工具(如吹叶机、燃气发电机)上进行了测试。这些发动机的排放确实大幅度减少，但是也观察到，特别是在二冲程发动机上，为了始终如一的冷启动，需要降低6个电极的火花间隙。发动机温度升高后，将火花塞更换成6个电极，使火花间隙更大，从而更好地提高了发动机的功能性并更多地减少了排放。这一观察致使新版智能火花塞的诞生，这种智能火花塞专门设计用于在冷启动时无法覆盖大火花间隙的配备高压源的发动机。

低压智能火花塞的电极之一由双金属材料或PTC(正温度系数)材料制成。当发动机冷启动时，这种新型电极将产生更小的火花间隙。在发动机启动后，燃烧室内产生的热量将使新电极远离中心电极移动超过其他较大间隙电极(双金属版本)或增加该电极(PTC版本)的阻抗路径，并且让其他更大的间隙电极完成他们的工作，即搜寻富燃区并在该处点火以实现快速高效的燃烧。

图37为采用双金属电极430的低压智能火花塞401的底视图。在一个或多个实施例中，多个接地电极中的一个接地电极包括双金属结构，该双金属结构被构造为随着温度升高而径向远离中心电极50移动。当环境温度低时，电极430如430a所示定位。如示意图所示，发动机温度的升高通过将电极从形状430a移动到超出其他电极30的形状430b而改变了双金属电极430的位置。

图38为采用正温度系数电极530的低压智能火花塞501的底视图。在一个或多个实施例中，多个接地电极530中的一个接地电极包括具有正温度系数的导体，该导体的电阻随着温度升高而增加。电极530由表现出正温度系数的材料制成。

随着火花塞501的温度增加，电极530的阻抗将增加，使得电极30将参与火花点火。

另一个替代实施例为可变间隙智能火花塞，其具有一个更靠近中心电极的固定接地电极(以帮助低压冷启动)以及4个、5个、6个或更多个电极，所有电极距中心电极更远(火花间隙)。一个或多个实施例还包括比多个接地电极更靠近中心电极定位的附加固定接地电极。

图39为可变间隙智能火花塞601的底视图，该图示出了更靠近中心电极50的一个固定接地电极630。在实验期间，观察到即使在发动机冷启动时刻之后，当双金属接地电极更靠近中心电极时，其他电极(在这种情况下仍然是5个)仍然帮助搜寻更富燃的路径和较低的发动机排放。

据信，一旦发动机开始运转，施加到燃料空气混合物的压缩和热量使得接地电极之间的火花间隙差异不太相关，并且由于更富燃的区域的低阻抗路径，具有较大火花间隙的另外5个电极仍将努力搜寻这些更富燃的区域。如预期的，在室温下进行测试时，当没有丙烷气存在时，中心电极和较近的接地电极之间始终发生火花放电。然而，一旦将丙烷引入到具有较大火花间隙的另外5个接地电极的区域中，火花放电将从具有较小火花间隙的初始接地电极移动到更接近丙烷气体的具有较大火花间隙的电极。

在可预见的未来，火花塞的需求预计会大幅增长。截至2010年，世界上有超过10亿辆汽车正在使用，但不包括越野车、雪地摩托车、轻便摩托车和摩托车、摩托艇、小型工具和施工设备，这些车辆也需要火花塞发挥作用。美国研究人员估计，全球机队规模将翻一番，到2020年达到20亿辆。预计金砖国家(即巴西、俄罗斯、印度、中国和南非)的发展中经济体将实现大幅增长。中国是发展最快的大型经济体，也是汽车市场增长最快的市场，现在路上的车辆超过1亿辆。美国目前车辆数量最多，拥有超过2.5亿辆车辆，预计中国将超过美国成为全球最大的汽车市场。

2015年，市场达到约15亿辆车辆。三分之二或十亿辆车辆由燃气发动机驱动，三分之一由柴油、氢气或电力驱动。每个燃气发动机使用四到十二个火花塞。考虑到今天10亿个燃气发动机平均有5个火花塞，目前使用的火花塞约有50亿个。

预计到2020年，将有20亿辆汽车上路，每年增加1亿辆。燃气发动机占每年约65,000,000的总数的三分之二，平均需要五个火花塞。这意味着需要为新的燃气发动机提供超过300,000,000个火花塞。轻便摩托车和摩托车、越野车和雪地摩托车、摩托艇以及小型工具和施工设备还需要额外火花塞的更换和服务。

按量计算，制造火花塞的成本约为0.50美元。批发价格从1美元到4美元不等。一家公司的起始价格为每单位0.96美元。优质火花塞的零售价格从2.50美元到30美元不等，每单位的利润超过0.50美元。因此，300,000,000个火花塞每年可产生至少150,000,000美元的总利润。更换火花塞可以产生更多的收入，特别是如果要求减少污染的话。目前有五大火花塞制造商：

和

尽管已经参考具体实施例论述了本发明，但显然并且应该理解的是，该概念可以以其他方式实施以实现所论述的优点。以上优选实施例主要被描述为具有形成大火花目标体积的多个接地电极的火花塞。在这方面，为了说明和描述的目的给出了火花塞的前述描述。

此外，该描述不旨在将本发明限制于本文公开的形式。因此，与相关领域的以下教导、技能和知识一致的变体和修改均在本发明的范围内。

本文论述的概念可以应用于其他火花产生装置或用于包括用于汽车、卡车、电动工具和其他车辆的内燃机以及其他类型的发动机的应用。本文描述的实施例还旨在解释用于实施本文公开的本发明的已知模式，并且使本领域的其他技术人员能够在等同的或替代的实施例中以及通过认为本发明的特定应用或使用所必要的各种修改来利用本发明。

Claims (18)

1.一种火花塞，包括：

绝缘本体，具有开孔；

管状的导电壳体，围绕所述绝缘本体的至少一部分；

柱形的中心电极，位于所述绝缘本体的所述开孔内，所述中心电极具有中心纵向轴线，所述中心电极从绝缘本体突出，从而形成适于用作火花生成部分的终端部分；并且，

多个接地电极，径向地围绕所述中心电极以形成360度的火花目标体积，每个所述接地电极具有：基端，耦接到所述导电壳体；和细长的上部部分，细长的所述上部部分从所述基端延伸至远端，所述远端与所述基端纵向地间隔并且还围绕所述中心纵向轴线弯曲以形成大致弯曲的路径并设置细长的内表面，细长的所述内表面具有距所述中心电极的所述火花生成部分大致恒定的径向火花间隙距离；

其中，所述火花目标体积包括用于允许燃烧燃料自由扩散的大体上敞开的体积。

2.根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述大致弯曲的路径包括围绕所述中心电极的纵向轴线形成的螺旋。

3.根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述径向火花间隙的范围为1.7毫米至4.75毫米。

4.根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述中心电极的所述火花生成部分和所述接地电极的所述上部部分形成三维火花目标体积。

5.根据权利要求4所述的火花塞，其中，所述火花目标体积约为100立方毫米。

6.根据权利要求1所述的火花塞，其中，多个所述接地电极中的一个接地电极包括双金属结构，所述双金属结构构造成随着温度升高而沿径向远离所述中心电极移动。

7.根据权利要求1所述的火花塞，其中，多个所述接地电极中的一个接地电极包括具有正温度系数的导体，具有正温度系数的所述导体的电阻随着温度升高而增加。

8.根据权利要求1所述的火花塞，还包括附加固定接地电极，所述附加固定接地电极定位成比多个所述接地电极更靠近所述中心电极。

9.根据权利要求1所述的火花塞，其中，多个所述接地电极包括六个接地电极。

10.根据权利要求1所述的火花塞，其中，当沿所述中心纵向轴线观察时，每个所述接地电极的细长的所述上部部分与相邻的所述接地电极的所述基端部分地重叠。

11.一种火花塞，包括：

绝缘本体，具有开孔；

管状的导电壳体，围绕所述绝缘本体的至少一部分；

柱形的中心电极，位于所述绝缘本体的所述开孔内，所述中心电极具有中心纵向轴线，所述中心电极从绝缘本体突出，从而形成适于用作火花生成部分的终端部分；以及，

多个柱形的接地电极，径向地围绕所述中心电极以形成360度的三维的火花目标体积，每个所述接地电极具有：基端，耦接到所述导电壳体；和细长的上部部分，细长的所述上部部分从所述基端延伸至远端，所述远端与所述基端纵向地间隔并且还围绕所述中心纵向轴线弯曲以形成大致弯曲的路径并设置细长的内表面，细长的所述内表面具有距所述中心电极的所述火花生成部分大致恒定的径向火花间隙距离，所述接地电极以沿周向重叠的方式围绕所述中心电极，其中，当沿所述中心纵向轴线观察时，每个所述接地电极的细长的所述上部部分与相邻的所述接地电极的所述基端部分地重叠；

其中，所述中心电极的所述火花生成部分和所述接地电极的细长的上部部分形成所述三维的火花目标体积，并且，

其中，所述火花目标体积约为100立方毫米。

12.根据权利要求11所述的火花塞，其中，多个所述接地电极中的一个接地电极包括双金属结构，所述双金属结构构造成随着温度升高而沿径向远离所述中心电极移动。

13.根据权利要求11所述的火花塞，其中，多个所述接地电极中的一个接地电极包括具有正温度系数的导体，所述导体的电阻随着温度升高而增加。

14.根据权利要求11所述的火花塞，还包括附加固定接地电极，所述附加固定接地电极定位成比多个所述接地电极更靠近所述中心电极。

15.根据权利要求11所述的火花塞，其中，多个所述接地电极包括六个接地电极。

16.一种火花塞，包括：

柱形的中心电极，具有中心纵向轴线，所述中心电极形成适于充当火花生成部分的终端部分；以及

多个接地电极，径向地围绕所述中心电极从而形成三维火花目标体积，每个所述接地电极具有基端和细长的上部部分，细长的所述上部部分从所述基端延伸至远端，所述远端与所述基端纵向地间隔并且还围绕所述中心纵向轴线弯曲以形成大致弯曲的路径并设置细长的内表面，细长的所述内表面具有距所述中心电极大致恒定的径向火花间隙距离；

其中，所述火花目标体积包括用于允许燃烧燃料自由扩散的大体上敞开的体积。

17.根据权利要求16所述的火花塞，其中，所述火花目标体积约为100立方毫米。

18.根据权利要求16所述的火花塞，其中，当沿所述中心纵向轴线观察时，每个所述接地电极的细长的上部部分与相邻的所述接地电极的所述基端部分地重叠。

Images