技术领域
[0001] 本
发明涉及火花塞，其包括中心
电极、顶电极和作为搭
铁电极的至少两个侧电极，侧电极和顶电极各自都具有朝向
中心电极取向的暴露侧面(face edge)。
背景技术
[0002] DE 25 54 517A1涉及一种用于内燃
发动机的火花塞，其具有圆柱体火花塞壳体和用气密封的方式安装在其中的火花塞绝缘体、轴向延伸穿过火花塞绝缘体的中心电极和从火花塞壳体向内径向延伸的搭铁电极，在其对置间隔开的端部之间布置有一个或者多于一个辅助电极。为延长点火火花并确保其更深入地延伸到可燃混合物中，同时还能获得延长的点火火花的最大可能
密度，DE 25 54 517A1提出将至少一个辅助电极通过高阻抗元件与中心和搭铁电极或
接地电极(ground electrode)的
电压源的一极相连接，中心电极、至少一个辅助电极和搭铁电极按使它们之间形成的火花路径连续位于火花塞的轴向上这种方式布置。在剖面图看，搭铁电极被布置成其火花路径形成表面在轴向上一个直接位于另一个上方。
[0003] JP 2006318696的
摘要中公开一种火花塞，其具有中心电极、以搭铁电极形式出现的顶电极和至少一个侧电极。所述侧电极被布置成使其朝向中心电极取向的暴露侧面与中心电极横向相邻，并在中心电极和顶电极之间的
火花隙之外形成另一火花隙。另外，采取特殊的
预防措施以防止与顶电极相碰的可燃气体被反射向中心电极。
[0004] DE 103 400 43A1还公开一种火花塞，其具有中心电极、顶电极和两个侧电极。为在起动阶段迅速地加热绝缘体，以在起动阶段防止
碳烟沉积，DE 103 400 43A1提出，绝缘体前段的外径和内径的差别不超过1.9毫米。
[0005] DE 600 11 017T2也涉及火花塞的问题，其致
力于在低温起动时改进抗碳烟性能，其目的在于防止形成碳颗粒构成的搭桥。例如，为这一目的，提供两个侧电极，其被布置成与中心电极横向相邻。意欲使用金属套筒通过特定地减小绝缘体外径和末梢端部分的内径之间的直径比率来解决上述问题。
[0006] DE 699 27 730T2涉及四冲程内燃发动机，其具有受控的点火和
燃料直接喷射。喷射元件的轴线被布置在与
气缸的纵向轴所包含的平面成60°
角的范围内。在一个改进中，DE 699 27 730T2公开提供了两种点火装置，它们分别布置在不同的汽缸半体中，喷射元件布置在每个气缸半体中。
[0007] DE 10 2005 024 266A1公开了火花塞，其具有中心电极、顶电极和两个侧电极，从而形成两个火花隙。因此，该火花塞具有一结构，该结构保证如果绝缘体上有残炭沉积，横向火花形成
电弧而不会在绝缘体上形成槽沟，从而保持绝缘体的绝缘性能。
[0008] DE 10 2007 047 893A1也公开了火花塞，其包括中心电极、顶电极和至少一个侧电极。如果有两个侧电极，其分别被布置为其各暴露侧面均在顶电极下方的同一高度上。在DE 10 2007 047 893A1的情况下，关键是在辅助搭铁电极(侧面电极)的朝内部分的内端的底边和面向中心电极的主搭铁电极(顶电极)的表面之间的距离A，与火花隙的距离Gm满足关系A＞＝Gm/3。
[0009] EP 1 215 392A2公开一种用于将
能量引入被限定的媒介所充满的空间的元件，其具有电极，该电极包括用于输送能量源所产生的能量的连接和布置在该空间内以将所述能量引入该空间的端部区域。电极的端部区域包括多个被互相间隔开的细长电极部分，它们中的每一个都连至电极的连接，以便将能量引入空间。
[0010] EP 1 895 154A1涉及
燃烧室中的多个火花隙的布置。火花隙中的一个由火花塞(顶电极/中心电极)形成。其它火花隙由电极对形成，所述电极对密封布置在外围，从而形成多个外围火花隙。因此，因此可燃气体可经由火花塞的实际火花隙(actual spark)也可通过外围火花隙被点燃。
[0011] 在按分层进气原则运行的理想地发挥功能的内燃发动机中，燃料被直接喷入压缩空气中。在喷射中，燃料被雾化、
气化并与燃烧室内的燃烧空气混合。燃烧气体(即燃料-空气混合物)被火花塞点燃。常用火花塞具有中心电极和搭铁电极，该搭铁电极可能被称为顶电极。后者具有大致平行于中心电极的垂直柱杆(stem)，点火表面从所述垂直柱杆朝向中心电极弯折成横梁。所述横梁包括暴露侧面。点火表面位于距中心电极的
点火端一轴向间隔处，从而形成火花隙，在其中以已知手段生成点火火花且该点火火花被调整至燃料喷射开始处。这样能够以通常所知方式点燃可燃气体。因此，将不再详细地解释火花塞的元件。
[0012] 此处，可燃气体(即燃料-空气混合物)必须具有适当的混合比，从而能够保证适当的点火并因此保证期望的燃烧。由于从一个运行周期到下一个运行周期的公差和变化，可燃气体可能偏离这一最佳混合比，该最佳混合比会导致大致稳定的点火和/或者燃烧状况。点火瞬间在顶电极和中心电极间出现的体积尤其重要。如果在点火期间，最佳可点燃混合物没有出现在火花隙区域，这会导致缓慢的或者不完全的燃烧过程，并且在最坏情况下甚至会导致失火。
[0013] 就此而言，当由于从一个运行周期到下一个运行周期的公差或者变化使得燃料-空气混合物(可燃气体混合物)发生变化时，例如常用火花塞和具有用于防止碳烟沉积的侧电极或者辅助电极的火花塞不适于保证稳健的燃烧过程。在其相对于顶电极和中心电极间的火花隙的喷射角度中，喷射器通常被设置成使得所期望的最佳的大致较稀的可燃气体混合物可被点燃。例如，被喷射的燃料射流可从其设定的喷射角度偏离，使得在顶电极和中心电极间的火花隙区域中的可燃气体混合物不是最佳可点燃的，而是要么过富要么过稀。
[0014] 从这一被认识到的问题出发，本发明的目标是使用简单的装置改进在背景技术部分提到的这种火花塞，以使得即使发生以示例方式描述的偏离，也总能保证稳健的和期望的可燃气体燃烧过程。
发明内容
[0015] 根据本发明，通过具有
权利要求1的特征的火花塞实现该目的，实施为搭铁电极的各侧电极被布置成其暴露侧面围绕中心电极的中
心轴线，并从该中心轴线横向间隔开，并在轴向上以这种方式互相间隔开，即各暴露侧面(包括顶电极的侧面)被布置在不同的高度
水平上，以使得所形成的火花隙在空间上彼此独立。
[0016] 本发明基于这一发现，即点火火花(即流动的
电流)总是寻求最小阻抗的路径。当燃料-空气混合物既不过富又不过稀时，这一最小阻抗出现。设置喷射器的喷射轴线以产生燃料-空气混合物，在燃料喷射射流的锥形表面上恰好具有最佳燃料-空气比，在常用火花塞中，用于点燃燃料-空气混合物的相关火花隙通常被布置顶电极和中心电极之间，恰好在具有最佳燃料-空气比的区域内。如果燃料喷射射流偏离理想喷射轴线，在顶电极和中心电极间的相关火花隙中的混合物会变得要么过富要么过稀。如果混合物过稀，则阻抗太大，因此没有电流可以流过并且没有点火火花可以形成。如果混合物过富，空气不能被电离，因此同样没有电流可以流过并且没有火花可以被点燃(点火火花实际上被过多的液体熄灭)。另一方面，在本发明中，现在提供实际上实施为阶梯式火花塞的单个火花塞，其中的搭铁电极(即顶电极和侧电极)被各自布置成具有相关点火表面，这就是说表面形成点火路径，用这种方法，尽管燃料喷射射流偏离其理想喷射轴线，最佳燃料-空气混合物总是位于其中一个火花隙中，使得通向中心电极的电离通道在其中一个搭铁电极上形成，使得电流可以流过并且点火火花可以形成以便点燃燃料-空气混合物。点火火花可在不同的点即阻抗最弱之处形成电弧。这样提供了改进的火花塞，其没有单个的、优选的火花隙，但是具有多个实质上等同的火花隙。因此，总而言之，即使当从一个运行周期到另一个运行周期或者因为其它原因燃料喷射射流没有处于其理想状态时，仍总是可能保证稳健的燃烧。在本文中，实质上等同的火花隙的数目等于顶电极的总和加上侧电极或者横梁的数目总和。
[0017] 根据本发明，有利的是如果各搭铁电极(即顶电极和侧电极)的暴露侧面从径向上看分别位于距中心电极的中心轴线相同的径向间隔上。实质上球形的体积被包含于暴露侧面至中心电极的点火末梢间。本发明明显更加有利之处在于，由于多个几乎等同的搭铁电极，此处没有搭铁
电极形成优选火花隙，所述“受控混合物体积”相比于现在的技术在三个方向上实际上被增大。自然，暴露侧面也可位于距中心电极径向不同间隔之处。但是，要点是，各搭铁电极的暴露侧面，从轴向，这就是说火花塞的垂直方向看进去，位于从中心电极开始的或者距其暴露的点火末梢开始的不同的径向间隔之处。
[0018] 因此顶电极可以以已知的方式被布置成其点火表面直接地在中心电极的暴
露点火末梢之下，以形成第一火花隙。侧电极的第一电极，作为更远的搭铁电极，可被布置成其暴露侧面一起，在形成点火路径的顶电极表面之上，优选地在高度上偏移并在中心电极的圆周方向上横向偏移，以形成第二火花隙。第二侧电极，作为更远的搭铁电极，可被布置成其暴露侧面优选地在高度上偏移并在相对顶电极和第一侧电极或者暴露侧面的圆周方向上横向偏移，在优选地它们之上，以形成第三火花隙。此处顶电极被优选地设计成使得其暴露侧面与中心电极的中心轴线一致，或者投影略超出。侧电极的暴露侧面被相对于中心电极的中心轴线横向布置，并优选地分别位于距离中心电极的外圆或者距离其暴露点火末梢的外圆径向相等的间隔处。也就是说，它们被沿横向相对布置并在高度上被偏移。
[0019] 自然，提供多于两个侧电极也是可能的，尽管搭铁电极的数目显然应被限制以避免将中心电极的彻底封闭。
[0020] 从纵剖面看进去，搭铁电极实际上是L形的设计，并具有平行于中心电极延伸的垂直柱杆，和横梁，暴露侧面位于横梁上，从垂直柱杆上弯折过来并指向中心电极的中心轴线。在距离横梁有一轴向间隔的垂直柱杆上布置第二横梁，以形成分枝式的搭铁电极，从中两个横梁各有侧面分枝出来也是可能的。在这个例子中第二横梁优选地被布置在第一横梁之上。第二横梁的暴露侧面形成更远(“等同”)火花隙。
[0021] 在其优选的应用中，根据本发明的火花塞能够被用于具有燃料直喷的内燃发动机。替代在燃烧室中布置多个火花塞，一个单独的火花塞被采用，其具有多重搭铁电极，所述搭铁电极各自具有独立于其它火花隙的火花隙。这使得燃烧过程比
现有技术中的燃烧过程更加稳健，即使当在顶电极和中心电极间的火花隙区域中的燃料-空气混合物的成分偏离理想成分时也是这样，这是由于相互独立的火花隙的布置使得理想的燃料-空气混合物至少出现于其中一个火花隙中。显然应用不限于所述示例。在具有进气
歧管喷射的内燃发动机中、在自然进气式发动机和/或者具有外部混合形成机制的发动机中-其吸取均匀的混合物，在其中可能有特定的不均匀现象发生-使用所述设计先进的火花塞是可行的。
[0022] 随同本发明已经被描述的，起到防止不完全燃烧甚至熄火的作用的优点，其不仅具有以降低的燃料燃烧或者降低的污染物排放为形式的有利效应，而其还具有以内燃发动机更长的使用寿命为形式的有利效应。
附图说明
[0023] 此外，本发明进一步有利的改进在所附权利要求和下面对附图的描述中被公开，其中：
[0024] 图1示出沿火花塞的纵剖面，
[0025] 图2示出图1中火花塞点火端放大区域，
[0026] 图3示出图2中点火端的顶视图，
[0027] 图4示出在理想喷射角度上的燃料喷射锥体的示例性细节，
[0028] 图5示出偏离图4中所表示的理想喷射角度的示例性燃料喷射锥体，[0029] 图6示出不同于图5中的偏离理想喷射角度的燃料喷射锥体的示例性细节。
[0030] 在不同的附图中，相同的零件总具有相同的附图标记，因此一般也仅描述一次。
具体实施方式
[0031] 图1至图3示出火花塞1，其包括中心电极2和顶电极3以及作为搭铁电极的至少两个侧电极4、6，无论是侧电极4、6还是顶电极3都具有朝向中心电极2取向的暴露侧面(face edge)7、8、9。实施为搭铁电极的侧电极4、6每个都被布置成其暴露侧面8、9环绕中心电极2的中心轴线X并存在横向间隔，并且它们在轴向上互相间隔开，以此种方式使得分别暴露侧面7、8、9每个都被布置在不同高度水平上，使得所形成的火花隙11、12、13在空间上都彼此独立。
[0032] 所选择的视图意味着侧电极4和6中仅仅侧电极4是全部可见的。对于侧电极6，仅仅能够看出其暴露侧面9的端面(以虚线表示)。
[0033] 布置中心电极2使其与火花塞1的中心轴线X一致，并且从纵剖面看在其点火端具有圆柱形的延伸作为点火末梢16。顶电极3和侧电极4和6分别具有垂直柱杆(stem)17，其平行于中心电极2和中心轴线X，从这些柱杆中的每一个中伸出弯向中心电极2的横梁18。侧电极6同样是类似的L形设计。
[0034] 可以看到，顶电极3的垂直柱杆17和侧电极4分别具有不同的轴向长度，因此暴露侧面7、8、9相对于点火端或者点火末梢16被布置在不同高度上。
[0035] 顶电极3被按已知的方式布置成其点火表面19直接位于中心电极2的暴露点火末梢16下方，以形成第一火花隙11。第一侧电极4，作为进一步的搭铁电极，优选被布置成使其暴露侧面8在高度上偏移且在中心电极的圆周方向上横向偏移，在顶电极3的表面19上方形成点火路径，从而形成第二火花隙12。第二侧电极6，作为进一步的搭铁电极，优选被布置成使其暴露侧面9相对于顶电极3和第一侧电极4或者暴露侧面7、8在高度上偏移且在中心电极的圆周方向上横向偏移，且优选在它们上方，从而形成第三火花隙13。此处优选顶电极3被设计成其暴露侧面7与中心电极2的中心轴线X一致。侧电极4、6的暴露侧面8、9相对中心电极2的中心轴线X横向布置并优选距中心电极2的外圆周或者距离其暴露点火末梢16的外圆周的径向间隔相同，也就是说，它们相对于该
位置横向布置并在高度上偏移。
[0036] 火花塞1的点火端14位于内燃发动机的燃烧室中。至少一个燃料喷射器被布置成其喷射侧在燃烧室中。如图5中示例所示，燃料喷射器将燃料射流喷射入燃烧室，燃料喷射器产生具有中心线X1的锥形燃料射流21。绘出轴线Y作为辅助，其在绘图平面内自内部延伸，就是说从中心线X1朝向燃料射流21的锥形表面伸出来。轴线Y上的字母A在此代表混合物过富，这对点火来说不理想，字母B代表混合物过稀，这对燃烧来说不理想。在燃料射流21的锥形表面处，被喷射的燃料与被压缩的空气混合，使得燃料-空气混合物形成可燃气体。例如(图4)，燃料喷射器被设置为相对于火花塞1呈一预定喷射角度，以便具有最佳空气-燃料混合比的可被点燃的可燃气体能够进入介于顶电极3和中心电极2之间的火花隙11。
[0037] 图5表示中心线X1偏离燃料射流21的中心线的示例，燃料射流21的中心线最初被设置为朝向绘图平面中的附图的左边。可能的偏离由交叉箭头表示。因此，在常用火花塞中，例如不能最佳点燃的混合物(即过富的混合物)将出现在介于顶电极3和中心电极2之间的火花隙11中。另一方面，在根据本发明的火花塞1中，具有最佳混合比的最佳可点燃混合物出现在介于第二侧电极6和中心电极2之间的火花隙13的区域中，以便可在此产生点火火花22。另一方面，在介于第一侧电极4和中心电极2之间的火花隙12的区域中，出现不能最佳点燃的过稀混合物。
[0038] 图4表现燃料射流21的细节，燃料射流21以设定的喷射角度喷射，以使得可点燃混合物出现在介于顶电极3和中心电极2之间的火花隙11中。点火火花22可产生在火花隙11内，不能最佳点燃的过稀混合物出现在其它两个火花隙12和13中。
[0039] 在图6所表示的示例中，燃料射流21中心轴线X1偏离理想位置，设定燃料21的喷射角度向上朝向绘图平面中的右侧。如图所示，可在介于第一侧电极4和中心电极2之间的火花隙12中生成点火火花22，这是因为最佳可点燃混合物出现在这一区域。其它两个火花隙11和13位于具有不能最佳点燃的混合物的区域内，就是说位于具有过富混合物的区域内。
[0040] 图4至6仅仅示出点火火花22的原理。应指出点火火花22既在火花隙11处产生电弧，又在火花隙12或者火花隙13中产生电弧。
[0041] 从图4至图6中可以看出，搭铁电极(也就是说顶电极3和两个侧电极4和6)被布置成其暴露侧面7、8、9以这样一种方式朝向中心电极2，即即使燃料射流21偏离理想位置，可最佳点燃的混合物总是出现在火花隙11、12或者13中的一个中，使得点火火花22可在火花隙11、12或者13的一个中产生。可以省略用于在火花隙11、12或者13中的一个中产生点火火花22的特殊控制单元，这是因为点火火花22总是在搭铁电极3、4或者6上产生电弧，由于最优可燃混合物的存在，最低(电)阻抗在它们上面起主导作用。
[0042] 例如，如图3中所示，布置搭铁电极(即顶电极3和侧电极4和6)的横梁18以使其各自的暴露侧面7、8、9被布置为围绕中心电极2偏移120°圆周角。在图4至图6中示出的所选视图中，侧电极4和6径向对置。作为示例给出的圆周角自然地并非是限制性的。将搭铁电极中的一个布置为更靠近或者更远离另一个搭铁电极是可能的。例如，各搭铁电极或其形成点火路径的表面的有利位置可以试验方法确定，在这些方法中，确定燃料射流
21可从理想位置的可能偏离以便搭铁电极总是位于出现可最佳点燃的混合物的区域中。火花塞1上的各搭铁电极3、4和6的位置被预先确定。火花塞自然可为大规模生产的产品，其中燃烧室内的搭铁电极3、4和6的位置，尤其是各个搭铁电极3、4和6相对于彼此的相对位置，可通过实验的方法确定。显然此处首先确定顶电极3的位置。侧电极4和6就位于相对于顶电极3的预定偏离点。通过固定火花塞的已知方式确定燃烧室内点火端14的位置，由于是常识，所以不需要进一步解释。
[0043] 本发明提供火花塞1，其可以被称为阶梯式火花塞，其保证具有燃料直喷的内燃发动机内的稳健燃烧过程，这是由于火花隙11、12或者13中的一个总是位于具有可最佳点燃的混合物的区域中。在此重要的是各搭铁电极(顶电极3、侧电极4、6)被布置成其暴露侧面7、8、9在高度上偏移(阶梯)并优选在中心电极的圆周方向上相对其它搭铁电极横向偏移。在此，可优选暴露侧面7、8、9距离中心电极2的径向间隔在各例子中相同。
[0044] 从图1和图2中可见，暴露侧面7、8、9被布置成使它们的转角(优选为绘图平面中的上转角23、24)中的至少一个与作为辅助画出的圆26相切，从三维角度看，该圆26是为了表示搭铁电极3、4、6之间的球形体积。由此可以看出相对于现有技术扩大了三个火花隙11、12和13之间的“受控混合物体积”，这是由于在现有技术中单个体积被预先限定在顶电极和中心电极之间的优选火花隙中。然而，在本发明中，多个火花隙独立于彼此而形成，避免了优选的火花隙。显然，图1和图2中所示理想体积不总是理想的球形。本发明的基本要素是由于三个“同等”搭铁电极3、4和6在高度上的偏移布置，这些搭铁电极具有暴露侧面7、8、9或形成其点火路径的表面(点火表面)19，得以形成位置上彼此独立的火花隙11、
12和13，所以由于点火火花22在不同搭铁电极上(即在不同位置上)产生电弧的能力，总是能够实现稳健的燃烧。
[0045] 在对本发明的改进中，有可能在至少一个垂直柱杆17上布置除横梁18外的另一个或者额外的横梁27，所述额外的梁被布置成相对于第一横梁18在高度上偏移，优选在后者上方，例如，如被图2中虚线所表示的横梁27所示。因此有可能将至少一个搭铁电极实际上设计为分支搭铁电极，从而形成又一(第四)火花隙。
